(57)【要約】量子メモリシステムが、ドープ多結晶セラミック光学素子、磁場発生ユニット、及び１つ以上のポンプレーザーを備えている。磁場発生ユニットが磁場を発生するとき、ドープ多結晶セラミック光学素子が、磁場発生ユニットの磁場内に配置され、１つ以上のポンプレーザーが、ドープ多結晶セラミック光学素子に光学的に結合され、ドープ多結晶セラミック光学素子が、ドープ多結晶セラミック光学素子の結晶格子内に均一に分散された希土類元素ドーパントでドープされている。
2019523961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドープ多結晶セラミック光学素子、磁場発生ユニット、及び１つ以上のポンプレーザーを備えた量子メモリシステムであって、
前記磁場発生ユニットが磁場を発生するとき、前記ドープ多結晶セラミック光学素子が、前記磁場発生ユニットの前記磁場内に配置され、
前記１つ以上のポンプレーザーが、前記ドープ多結晶セラミック光学素子に光学的に結合され、
前記ドープ多結晶セラミック光学素子が、該素子の結晶格子内に均一に分散された希土類元素ドーパントでドープされている、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記１つ以上のポンプレーザーが、前記ドープ多結晶セラミック光学素子を照射して、該素子の前記希土類元素ドーパント内に、成形スペクトル構造を生成するように構成されていることを特徴とする、請求項１記載の量子メモリシステム。
【請求項３】
前記希土類元素ドーパントが、（ｉ）前記ドープ多結晶セラミック光学素子を横断する保存光子であって、該保存光子によって、前記希土類元素ドーパントの前記成形スペクトル構造の重ね合わせが、第１の分割基底状態から励起エネルギー状態に転移し、（ｉｉ）前記１つ以上のポンプレーザーによって出力された第１のポンプパルスであって、前記希土類元素ドーパントの前記成形スペクトル構造の前記重ね合わせを、前記励起エネルギー状態から、第２の分割基底状態に転移させるポンプパルスを受信すると、前記保存光子を吸収するように構成され、
前記希土類元素ドーパントが、（ｉ）該ドーパントの前記成形スペクトル構造の前記重ね合わせが、前記１つ以上のポンプレーザーによって出力された第２のポンプパルスを受信して、前記第２の分割基底状態から前記励起エネルギー状態に転移し、（ｉｉ）前記保存光子が、前記ドープ多結晶セラミック光学素子から出射するように、前記希土類元素ドーパントの前記成形スペクトル構造の前記重ね合わせが、ある遅延期間後に、前記保存光子を自動的に放出すると、該保存光子を放出するように構成された、
ことを特徴とする、請求項２記載の量子メモリシステム。
【請求項４】
前記ドープ多結晶セラミック光学素子が、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、又はこれ等の組み合わせを含むことを特徴とする、請求項１〜３いずれか１項記載の量子メモリシステム。
【請求項５】
前記ドープ多結晶セラミック光学素子が、多結晶セラミックコア及び該コアを囲むクラッドを有するドープ多結晶セラミック光導波路を含み、
前記クラッドが、前記多結晶セラミックコアの屈折率より低い屈折率を有し、
前記ドープ多結晶セラミック光導波路の前記多結晶セラミックコアが、該コアの結晶格子内に均一に分散された希土類元素ドーパントでドープされている、
ことを特徴とする、請求項１〜４いずれか１項記載の量子メモリシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連技術の相互参照】
【０００１】
本願は、参照により、その詳細が本明細書に組み込まれる、２０１６年５月１３日出願の米国仮特許出願第６２／３３６，１７０号の利益及び優先権を主張するものである。また、本願は、参照により、その詳細が本明細書に組み込まれる、２０１７年３月１日出願の米国仮特許出願第６２／４６５，３７２号の利益及び優先権を主張するものでもある。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、量子メモリシステム及び量子中継器システムに関するものである。より具体的には、本開示は、ドープ多結晶セラミック光学素子を有する、量子メモリシステム及び量子中継器システムに関する技術を紹介するものである。
【発明の概要】
【０００３】
本開示の主題によれば、量子メモリシステムは、ドープ多結晶セラミック光学素子、磁場発生ユニット、及び１つ以上のポンプレーザーを備えている。磁場発生ユニットが磁場を発生するとき、ドープ多結晶セラミック光学素子が、磁場発生ユニットの磁場内に配置され、１つ以上のポンプレーザーが、ドープ多結晶セラミック光学素子に光学的に結合され、ドープ多結晶セラミック光学素子が、ドープ多結晶セラミック光学素子の結晶格子内に均一に分散された希土類元素ドーパントでドープされている。
【０００４】
本開示の１つの実施形態によれば、光学システムが、量子中継器システム、１つ以上の磁場発生ユニット、及び１つ以上のポンプレーザーを備えている。量子中継器システムは、２つのドープ多結晶セラミック光学素子、及び中継器もつれ光学系を備えている。量子中継器システムの各々のドープ多結晶セラミック光学素子は、１つ以上の磁場発生ユニットが磁場を発生するとき、１つ以上の磁場発生ユニットの磁場内に配置される。量子中継器システムの各々のドープ多結晶セラミック光学素子は、ドープ多結晶セラミック光学素子の結晶格子に均一に分散された希土類元素ドーパントでドープされている。１つ以上のポンプレーザーの少なくとも１つが、量子中継器システムの各々のドープ多結晶セラミック光学素子に光学的に結合されている。更に、中継器もつれ光学素子は、各々のドープ多結晶セラミック光学素子に光学的に結合された２つのもつれ経路、及び各々のもつれ経路が横断するように配置されたビームスプリッターを有している。
【０００５】
本開示のもう１つの実施形態によれば、ドープ多結晶セラミック光学素子を製造する方法が、複数の遷移金属錯体と複数の希土類金属錯体とを混合して金属塩溶液を形成するステップ、金属塩溶液を加熱して加熱金属塩溶液を形成するステップ、加熱金属塩溶液と有機前駆体とを混合して、加熱金属塩溶液と前記有機前駆体との間に化学反応を誘発し、複数の希土類ドープナノ粒子を生成するステップ、及び複数の希土類ドープナノ粒子を焼結して、ドープ多結晶セラミック光学素子であって、素子の結晶格子内に均一に分散された希土類元素ドーパントを有する素子を形成するステップを備えている。
【０００６】
本明細書は、一部の特定の量子メモリシステムに主に関連させて、本開示の概念を記載しているが、本概念は、任意の構成を有する量子メモリシステム及び量子中継器システムへの適用性を享受するものと考える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本開示の具体的な実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造には同様の参照番号を付した、以下の図面と併せて読むことによって最も良く理解することができる。
【図１】本明細書に図示及び説明する１つ以上の実施形態による、希土類元素ドーパントを有する、ドープ多結晶セラミック光学素子を有する量子メモリシステムを示す概略図。
【図２】本明細書に図示及び説明する１つ以上の実施形態による、図１の希土類元素ドーパントの成形スペクトル構造の重ね合わせの基底及び励起エネルギー状態を示す概略図。
【図３Ａ】本明細書に図示及び説明する１つ以上の実施形態による、図１のドープ多結晶セラミック光学素子の形成に使用される前駆体混合物を示す概略図。
【図３Ｂ】本明細書に図示及び説明する１つ以上の実施形態による、図１のドープ多結晶セラミック光学素子の形成に使用される、複数の希土類ドープナノ粒子を示す概略図。
【図３Ｃ】本明細書に図示及び説明する１つ以上の実施形態による、図１のドープ多結晶セラミック光学素子の形成に使用される、金属塩混合物を示す概略図。
【図３Ｄ】本明細書に図示及び説明する１つ以上の実施形態による、図１のドープ多結晶セラミック光学素子の形成に使用される、加熱した金属塩混合物に対する有機前駆体の添加を示す概略図。
【図３Ｅ】本明細書に図示及び説明する１つ以上の実施形態による、図１のドープ多結晶セラミック光学素子の形成に使用される、複数の希土類ドープナノ粒子を示す概略図。
【図４】本明細書に図示及び説明する１つ以上の実施形態による、図１に示す希土類元素をドープした多結晶セラミック光学素子を複数有する光学システムを示す概略図。
【図５】本明細書に図示及び説明する１つ以上の実施形態による、複数の量子中継器システムを有する例示的な光学システムを示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は量子メモリシステム１００の概略図である。量子メモリシステム１００は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０、磁場発生ユニット１４０、保存光子発生器１７０、及び１つ以上のポンプレーザー１８０、例えば、第１のポンプレーザー１８０ａ及び第２のポンプレーザー１８０ｂを備えている。後述するように、量子メモリシステム１００は、量子メモリシステム１００を、１つ以上の別の量子メモリシステムと同期させて、例えば、図４に示す量子中継器システム２０１を形成することができるように、例えば、オンデマンドで、１つ以上の保存光子を保存及び放出するように構造的に構成されている。更に、量子メモリシステム１００の構成要素、例えば、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を、図４に示すように、各々が一対のドープ多結晶セラミック光学素子１２０を有する１つ以上の量子中継器システム２０１を備えた、光学システム２００の内部に配置することができる。１つ以上の量子中継器システム２０１を備えた光学システム２００は、各々がそれぞれの量子メモリシステムのドープ多結晶セラミック光学素子１２０によって保存及び放出される一対の保存光子をもつれさせるように構造的に構成されている。更に、本明細書に記載の量子メモリシステム１００及び光学システム２００は、例えば、量子鍵生成システム、量子通信システム、量子インターネットシステム、及び他の現在又はまだ開発されていない量子通信システム等、１つ以上の量子通信システムに組み込むことができる。
【０００９】
図１に示すように、量子メモリシステム１００のドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、結晶格子１２２を有し、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の結晶格子１２２に均一に分散された希土類元素ドーパント１３０でドープされている。本明細書において、「均一に分散」とは、結晶格子の粒界から離間した位置において、ドーパントの少なくとも５０％が、結晶格子の粒子にドープされている結晶格子における、希土類元素のドーパント１３０等のドーパントの分散を意味する。ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、第１の端部１２６、及び第１の端部１２６に対向することができる第２の端部１２８を有している。ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、多結晶セラミック内に形成された、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム等の金属酸化物を含むことができる。例えば、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、酸化イットリウムと酸化ジルコニウムとの組み合わせを含むことができる。別の例として、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、酸化ジルコニウムと酸化ハフニウムとの組み合わせであって、酸化ハフニウムが、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の全分子量の約２％〜１０％、例えば、４％、６％、８％を占める組み合わせを含むことができる。更に、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は透明であってよい。
【００１０】
図１に示すように、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、多結晶セラミックコア１２５及び多結晶セラミックコア１２５を囲むクラッド１２７を有するドープ多結晶セラミック光導波路１２１を備えることができる。クラッド１２７は、多結晶セラミックコア１２５の屈折率より低い屈折率を有し、多結晶セラミックコア１２５を伝搬する光子が、多結晶セラミックコア１２５とクラッド１２７とのコア−クラッド界面において全反射する。多結晶セラミックコア１２５とクラッド１２７との屈折率差が小さい場合、（クラッド１２７に対し）より大きい多結晶セラミックコア１２５が望まれ、多結晶セラミックコア１２５とクラッド１２７との屈折率差が大きい場合、（クラッド１２７に対し）より小さい多結晶セラミックコア１２５が望まれ得る。
【００１１】
更に、多結晶セラミックコア１２５は、多結晶セラミック中に形成された、酸化イットリウム及／又は酸化ジルコニウム等の金属酸化物を含むことができる。更に、クラッド１２７は、ポリマー、例えば、ＵＶ耐性ポリマー、有機マトリックスポリマー、又はクラッドとして好適な任意の他の既知のポリマー若しくは今後開発されるポリマーを含むことができる。一例として、多結晶セラミックコア１２５が酸化イットリウムを含み、クラッド１２７がポリマーを含んでいる。あるいは、クラッド１２７が、例えば、酸化イットリウム及び／又は酸化ジルコニウム等の金属酸化物が内部に形成された、多結晶セラミックを含むことができる。一例として、多結晶セラミックコア１２５が、酸化イットリウムと酸化ジルコニウムとの組み合わせを含み、クラッド１２７が酸化イットリウムを含むことができる。更に、ドープ多結晶セラミック光導波路１２１の多結晶セラミックコア１２５は、多結晶セラミックコア１２５の結晶格子１２２に均一に分散された、希土類元素ドーパント１３０でドープされている。更に、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、図１において、ドープ多結晶セラミック光導波路１２１として示してあるが、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、例えば、コア及びクラッドを含まない光学素子等、あらゆる光学素子を含むことができることを理解されたい。
【００１２】
更に、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、光子の吸収及び放出を促進するための様々な形状及び大きさを有することができる。例えば、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、第１の端部１２６と第２の端部１２８との間に延びる、約１ｃｍ〜約５０ｃｍ、例えば、５ｃｍ、１０ｃｍ、１５ｃｍ、２０ｃｍ、３０ｃｍ、４０ｃｍ等の長さを有することができる。更に、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、約０．０１ｍｍ２〜約２５ｍｍ２、例えば、約０．１ｍｍ２、０．５ｍｍ２、１ｍｍ２、２ｍｍ２、５ｍｍ２、１０ｍｍ２、１５ｍｍ２、２０ｍｍ２等の断面積を有することができる。更に、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、約０．１ｍｍ〜５ｍｍ、例えば、０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ等の幅、及び約０．１ｍｍ〜約５ｍｍ、例えば、０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ等の高さを有することができる。ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、内部に配置された光キャビティも備えることができる。作用において、光キャビティは、例えば、内部に存在する希土類元素ドーパント１３０によって吸収されるまで、保存光子等の光を光キャビティ内に捕捉することができる。
【００１３】
ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の結晶格子１２２にドープされる希土類元素ドーパント１３０には、１つ以上の希土類元素、例えば、エルビウム、ツリウム、プラセオジム、ランタン、セリウム、ネオジム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、イッテルビウム及びルテチウム等を含む１つ以上のランタノイド元素、スカンジウム等の非ランタノイド元素、並びにこれ等のランタノイド及び非ランタノイド希土類元素の各々の酸化物が含まれる。更に、希土類元素ドーパント１３０は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の全分子量の約０．０１％〜約２％、例えば、０．０２５％、０．０５％、０．０７５％、０．１％、０．１２５％、０．１５％、０．２％、０．２５％、０．５％、０．７５％、１．０％、１．２５％、１．５％、１．７５％等を占めることができる。一例として、希土類元素ドーパント１３０は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の全分子量の約０．０５％〜約０．１５％を占めている。
【００１４】
ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の結晶格子にドープされる希土類元素ドーパント１３０は、希土類元素ドーパント１３０の内部に配置された成形スペクトル構造であって、複数のエネルギー状態の間を転移することができる（例えば、希土類元素ドーパント１３０の１つ以上の電子の）重ね合わせを含む構造を有することができる。例えば、以下に更に詳細に説明するように、１つ以上のポンプレーザー１８０が、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を照射して、希土類元素ドーパント１３０内に成形スペクトル構造を生成することができる。作用において、以下に更に詳細に説明するように、例えば、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０が、保存光子発生器１７０によって放出された１つ以上の保存光子及び／又は１つ以上のポンプレーザー１８０によって放出された１つ以上のポンプパルスを受信すると、成形スペクトル構造の重ね合わせが、エネルギー状態間を転移することができる。作用において、希土類元素のイオンは、４ｆ−４ｆ遷移が狭く、光コヒーレンスが長いため、成形スペクトル構造の重ね合わせがエネルギー状態間を転移して、保存光子を希土類元素ドーパント１３０内に保存するのに適している。更に、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｎ、及びＩｎの酸化物等、非希土類元素ドーパントでドープすることもできる。
【００１５】
更に、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、複数の希土類ドープナノ粒子を焼結することによって形成することができる。複数の希土類ドープナノ粒子１１０は、Ｅｒ３＋をドープしたＹ２Ｏ３ナノ粒子を含むことができる。複数の希土類ドープナノ粒子１１０は、複数の遷移金属錯体１１２、複数の希土類金属錯体１１４、有機前駆体１１６、および脱イオン水等の水を混合することによって形成することができる（図３Ａ〜３Ｅ）。例えば、液相合成法（例えば、図３Ａ〜３Ｅに関連して後述する方法）を使用して、ナノ粒子、例えば、Ｙ２Ｏ３に、Ｅｒ３＋イオンをドープすることによって、これ等の希土類をドープしたナノ粒子１１０を焼結して形成した、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、原子的に均一に分散された希土類イオン（例えば、Ｅｒ３＋イオン）を含むことができる。
【００１６】
複数の遷移金属錯体１１２は、ジルコニウム塩、イットリウム塩、又はこれ等の組み合わせを含む、金属塩化物又は金属硝酸塩等の金属塩であってよい。更に、複数の希土類金属錯体１１４は、前述の希土類元素の金属錯体、例えば、金属塩を含むことができる。希土類金属錯体１１４を使用して複数の希土類ドープナノ粒子１１０（例えば、直径２００ｎｍ以下）を形成することによって、得られたドープ多結晶セラミック光学素子１２０内に配置された希土類元素ドーパント１３０でドープ多結晶セラミック光学素子１２０の結晶格子に、より均一に分散させることができ、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の性能が向上する。更に、有機前駆体１１６は、尿素、水酸化アンモニウム等を含むことができる。
【００１７】
再度図１において、保存光子発生器１７０は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０、例えば、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１の端部又は第２の端部に光学的に結合され、保存光子、例えば、もつれ保存光子、又は非もつれ保存光子を発生し放出するように構造的に構成されている。保存光子発生器１７０は、例えば、レーザー、非線形結晶体に光学的に結合されたレーザー、パラメトリックダウンコンバータ等の光子源を有している。更に、保存光子発生器１７０は、４波混合プロセス、又は光子を発生する任意の方法又はプロセスを使用して、保存光子を発生し放出することができる。
【００１８】
作用において、保存光子発生器１７０は、任意の波長、例えば、約３００ｎｍ〜約１０μｍ、例えば、５００ｎｍ、１５５０ｎｍ、２２００ｎｍ等の波長を有する保存光子を発生し放出することができる。非限定的な例として、保存光子発生器１７０によって放出された保存光子は、保存光子発生器１７０によって同時に放出された、第２のもつれ保存光子ともつれた第１のもつれ保存光子を含むことができる。作用において、第１のもつれ保存光子は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を横断することができ、第２のもつれ保存光子は、第１のもつれ保存光子ともつれたまま、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０から分離した経路に沿って伝搬することができる。
【００１９】
更に図１において、保存光子発生器１７０は、保存光子発生器１７０とドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１又は第２の端部１２６、１２８との間に延びることができる、保存光子伝送ファイバー１７２又は他の導波路装置を使用して、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０に光学的に結合することができる。更に、保存光子発生器１７０は、例えば、保存光子発生器１７０をドープ多結晶セラミック光学素子１２０と光学的に位置合わせするように構造的に構成された、１つ以上のアライメント機構１４２を使用して、保存光子発生器１７０を第１の端部１２６又は第２の端部１２８に位置合わせすることによって、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１又は第２の端部１２６、１２８に結合することができる。１つ以上のアライメント機構１４２は、アライメントステージ、光スイッチ、又はその両方を有することができる。更に、保存光子発生器１７０及びドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、それぞれのアライメント機構１４２に結合することができる。
【００２０】
１つ以上のポンプレーザー１８０は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０に光学的に結合され、各々がポンプパルスを発生し放出するように構造的に構成されている。１つ以上のポンプレーザー１８０は、例えば、ダイオードレーザー、外部キャビティダイオードレーザー、ファイバーレーザー、色素レーザー等、任意のレーザー源を含むことができる。更に、１つ以上のポンプレーザー１８０は、例えば、約５００ｎｍ〜約２２００ｎｍの波長等、任意の波長を有するポンプパルスを放射するように構造的に構成することができる。更に、１つ以上のポンプレーザー１８０によって発生及び放出されたポンプパルスの波長は、保存光子発生器１７０によって発生及び放出された保存光子の波長より大きくてよい。
【００２１】
更に、図１に示すように、１つ以上のポンプレーザー１８０は、第１のポンプレーザー１８０ａ及び第２のポンプレーザー１８０ｂを有することができる。例えば、第１のポンプレーザー１８０ａは、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１の端部１２６に光学的に結合され、第２のポンプレーザー１８０ｂは、ドー多結晶セラミック光学素子１２０の第２の端部１２８に光学的に結合され得る。図１に示すように、第１のポンプレーザー１８０ａは、保存光子発生器１７０として、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の同じ端部（例えば、第１の端部１２６）に光学的に結合することができ、第２のポンプレーザー１８０ｂは、保存光子発生器１７０として、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の異なる端部（例えば、第２の端部１２８）に光学的に結合することができる。第１、第２のポンプレーザー１８０ａ、１８０ｂをドープ多結晶セラミック光学素子１２０の異なる端部に光学的に結合することによって、量子メモリシステム１００の動作中、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０内における保存光子の光散乱を減少させることができる。
【００２２】
図１に示すように、各々のポンプレーザー１８０は、各々のポンプレーザー１８０とドープ多結晶セラミック光学素子１２０との間に延びることができる、ポンプパルス伝送ファイバー１８２又は他の導波路装置を使用して、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０に光学的に結合することができる。更に、各々のポンプレーザー１８０は、各々のポンプレーザー１８０をドープ多結晶セラミック光学素子１２０に光学的に位置合わせするように構造的に構成された、１つ以上のアライメント機構１４２を使用して、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０に光学的に結合することができる。１つ以上のアラインメント機構１４２は、アライメントステージ、光スイッチ、又はその両方を有することができる。更に、１つ以上のポンプレーザー１８０及び／又はドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、それぞれのアライメント機構１４２に結合することができる。
【００２３】
再度図１において、量子メモリシステム１００は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０に光学的に結合された波長分割多重装置（ＷＤＭ）１６０を更に備えることができる。特に、ＷＤＭ１６０は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を保存光子が出射する、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の端部に光学的に結合されている。例えば、図１に示すように、ＷＤＭ１６０は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１の端部１２６に光学的に結合することができる。更に、ＷＤＭ１６０は、保存光子経路１６２及びポンプパルス経路１６４の両方に光学的に結合することができ、例えば、ＷＤＭ１６０をドープ多結晶セラミック光学素子１２０の端部（例えば、第１の端部１２６）と保存光子経路１６２及びポンプパルス経路１６４の両方との間に配置することができる。ＷＤＭ１６０は、保存光子を保存光子経路１６２に誘導し、ポンプパルスをポンプパルス経路１６４に誘導するように構成されている。例えば、ＷＤＭ１６０は、保存光子の波長を含む、光子の波長範囲を保存光子経路１６２に誘導し、ポンプパルスの波長を含む、光子の波長範囲をポンプパルス経路１６４に誘導することができる。更に、保存光子経路１６２及びポンプパルス経路１６４は光ファイバーで構成することができる。
【００２４】
保存光子経路１６２は、ＷＤＭ１６０と保存光子レシーバー１６６との間に延びることができる。１つの非限定的な例として、保存光子レシーバー１６６は、米国特許出願第１４／６８０，５２２号明細書に記載の量子鍵生成システムの1つ以上の光子もつれ鎖の光ファイバーリンクを含むことができる。別の非限定的な例として、保存光子レシーバー１６６は、図４の量子中継器システム２０１の中継器もつれ光学系２１０を含むことができる。更に、ポンプパルス経路１６４は、ＷＤＭ１６０とポンプパルス受信器１６８との間に延びることができる。作用において、第１、第２のポンプパルスは、ポンプパルス受信器１６８において終端することができ、例えば、ポンプパルス経路１６４が、光ファイバーを含む実施形態において、ポンプパルス受信器は、ファイバーの端部を含むことができる。
【００２５】
更に図１において、量子メモリシステム１００は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０、例えば、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１の端部１２６に光学的に結合された、光サーキュレーター１５０を更に備えることができる。光サーキュレーター１５０は、３つ以上の光ポート、例えば、第１の光ポート１５２、第２の光ポート１５４、及び第３の光ポート１５６を有することができる。更に、光サーキュレーター１５０は、保存光子発生器１７０とドープ多結晶セラミック光学素子１２０、例えば、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１の端部との間に、光サーキュレーター１５０の第１の光ポート１５２が保存光子発生器１７０に光学的に結合され、第２のポートがドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１の端部１２６に光学的に結合されるように配置される。
【００２６】
光サーキュレーター１５０は、少なくとも１つのポンプレーザー１８０（例えば、第１のポンプレーザー１８０ａ）とドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１の端部１２６との間に、光サーキュレーター１５０の第１の光ポート１５２が、１つ以上のポンプレーザーの少なくとも１つに光学的に結合され、第２の光ポート１５４が、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１の端部１２６に光学的に結合されるように配置することもできる。例えば、図１に示すように、保存光子発生器１７０によって出力された保存光子、及び第１のポンプレーザー１８０ａによって出力されたポンプパルスが、光サーキュレーター１５０の光ポート１５２に入射し、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１の端部１２６に向け、第２の光ポート１５４から出射するように、保存光子発生器１７０及び第１のポンプレーザー１８０ａが、それぞれ光サーキュレーター１５０の第１の光ポート１５２に光学的に結合される。
【００２７】
光サーキュレーター１５０は、ＷＤＭ１６０とドープ多結晶セラミック光学素子１２０、例えば、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１の端部１２６との間に配置することもできる。更に、光サーキュレーター１５０の第３のポートは、ＷＤＭ１６０に光学的に結合される。例えば、ＷＤＭ１６０は、ＷＤＭ１６０がドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１の端部１２６を出射した後の保存光子を受信すると共に、第１、第２のポンプレーザー１８０ａ、１８０ｂの一方又は両方から出力されたポンプパルスを受信することができるように、光サーキュレーター１５０の第３の光ポート１５６の近傍に配置及び光学的に結合される。
【００２８】
図1に示すように、量子メモリシステム１００は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０に熱結合された、冷却システム１９０を更に備えることができる。非限定的な例として、冷却システム１９０は、冷却チャンバーを有し、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を冷却チャンバー内に配置することができる。もう１つの非限定的な例として、冷却システム１９０は、レーザー冷却システムを有し、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を、レーザー冷却システムに光学的に結合することができる。ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を冷却するように構造的に構成された、あらゆる冷却システム１９０が検討されていることを理解されたい。
【００２９】
更に図１において、磁場発生ユニット１４０は、磁場、例えば、静磁場を発生するように構造的及び組成的に構成された任意の磁気装置を有することができる。非限定的な例として、磁場発生ユニット１４０は、電磁石、強磁性体、アルニコ磁石、サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）磁石、ネオジム鉄ホウ素（ＮｄＦｅＢ）磁石、又はこれ等の組み合わせを含むことができる。更に、磁場発生ユニット１４０は、磁場発生ユニット１４０が磁場を発生するとき、磁場発生ユニット１４０の磁場内に、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０が位置するように、量子メモリシステム１００の内部に配置される。例えば、磁場発生ユニット１４０は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０に隣接することができる。非限定的な例として、磁場発生ユニット１４０は、例えば、約０．４テスラ、０．５テスラ、０．６テスラ、０．６５テスラ、０．７テスラ、０．８テスラ、１テスラ、２テスラ、２．５テスラ、３テスラ、４テスラ等、約０．２テスラ〜約５テスラの磁束密度を有する磁場を発生するように構造的及び組成的に構成することができる。
【００３０】
図２に模式的に示すように、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０が、磁場発生ユニット１４０の磁場内に配置され、１つ以上のポンプレーザー１８０が、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を照射して、希土類元素ドーパント１３０内に成形スペクトル構造が生成されると、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造の重ね合わせの各々が、第１の分割基底状態Ｇ１、第２の分割基底状態Ｇ２、及び励起エネルギー状態Ｅ１を含むように、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造の重ね合わせの基底状態が分割される。以下に詳細に説明するように、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造の重ね合わせの基底状態が分割されることによって、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造の重ね合わせが、第２の基底状態Ｇ２に転移し、保存光子をドープ多結晶セラミック光学素子１２０内に保存することができる。
【００３１】
作用において、希土類元素ドーパント１３０でドープした、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、保存光子発生器１７０によって放出された保存光子を吸収保存するように構造的及び組成的に構成されている。例えば、成形スペクトル構造は、ポンプレーザー１８０によって出力される１つ以上のポンプパルスを使用して、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の、例えば、希土類元素ドーパント１３０に生成することができる。例えば、成形スペクトル構造は、原子周波数コム（ＡＦＣ）、制御された可逆な不均一広がり（ＣＲＩＢ）、又は任意の既知若しくは今後開発される成形スペクトル構造、例えば、スペクトルホールバーニングを用いて形成された、成形スペクトル構造を含むことができる。例示的な成形スペクトル構造は、Ｈａｓｔｉｎｇｓ−Ｓｉｍｏｎ他による 「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｓｔａｒｋ ｓｈｉｆｔｓ ｉｎ Ｅｒ３＋−ｄｏｐｅｄ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ａｎｄ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｓｔａｔｅ ｓｔｏｒａｇｅ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、２６６、７１６〜７１９ページ（２００６）、Ａｆｚｅｌｉｕｓ他による「Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｍｅｍｏｒｙ ｂａｓｅｄ ａｔｏｍｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂｓ」、 Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ７９、０５２３２６（２００９）、及びＮｉｌｓｓｏｎ 他による 「Ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｍｅｍｏｒｙ ｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｔｅａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅ−ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｓ ｂｙ ｔａｉｌｏｒｅｄ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｒｏｆｉｌｅｓ」、 Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、２４７、３９３〜４０３ページ（２００５）に記載されている。
【００３２】
次に、保存光子が、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を横断するとき、保存光子によって、図２に模式的に示すように、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造の重ね合わせが、第１の分割基底状態Ｇ１から励起エネルギー状態Ｅ１に転移し、保存光子を吸収することができる。次に、第１のポンプレーザー１８０ａによって出力された第１のポンプパルスを受信すると、第１のポンプパルスによって、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造の重ね合わせが、励起エネルギー状態Ｅ１から第２の分割基底状態Ｇ２に転移し、保存光子を保存することができる。更に、ポンプレーザーからの出力はπパルスを含むことができる。
【００３３】
更に、希土類元素ドーパント１３０でドープした、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０に保存された保存光子を、オンデマンドで放出するように構造的及び組成的に構成されている。例えば、第２のポンプレーザー１８０ｂから出力された第２のポンプパルスを受信すると、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造の重ね合わせは、第２の分割基底状態Ｇ２から元の励起エネルギー状態Ｅ１に転移する。励起エネルギー状態Ｅ１になると、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造の重ね合わせは、ある遅延期間後に、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０、例えば、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１の端部１２６から保存光子が出射するように、保存光子を自動的に放出することになる。例えば、励起エネルギー状態Ｅ１になると、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造がリフェーズし、当該遅延期間後に、保存光子はドープ多結晶セラミック光学素子１２０から出射することになる。更に、第２のポンプレーザー１８０ｂが、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第２の端部１２８に第２のポンプパルスを放射すると、保存光子はドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１の端部１２６から出射することができ、第２のポンプレーザー１８０ｂが、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第１の端部１２６に第２のポンプパルスを放射すると、保存光子は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の第２の端部１２８から出射することができる。
【００３４】
遅延期間は、一貫性がある再現可能な期間を構成するため、反復動作の際、個々の保存光子は、同じ遅延期間後に放出される。更に、異なるドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、同じ又は異なる遅延期間を有することができる。非限定的な例として、同じ多結晶セラミック及びドーパント組成を有するドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、等しい遅延期間を有することができる。従って、同等の遅延期間を有する一対のドープ多結晶セラミック光学素子１２０を、図４の光学システム２００の量子中継器システム２０１として配置することができ、各々が第２のポンプパルスを同時に受信すると、各々が同時に光子を放出し、後述するように、図４の中継器もつれ光学系２１０を使用して、保存光子のもつれが可能になる。更に、個々のドープ多結晶セラミック光学素子１２０の遅延期間は、個々のドープ多結晶セラミック光学素子１２０に対し、光子エコー測定を行うことによって判定することができる。
【００３５】
再度図１において、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、意図しない電子のディフェージングを制限することができる低光子エネルギー（例えば、デバイエネルギー）を有することができる。例えば、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、約１００ｃｍ−１〜約８００ｃｍ−１、例えば、２００ｃｍ−１、３００ｃｍ−１、４００ｃｍ−１、５００ｃｍ−１、６００ｃｍ−１、７００ｃｍ−１等の光子エネルギーを有することができる。電子ディフェージングとは、トラップされた電子軌道から縮退軌道又はほぼ縮退軌道へのフォノン支援カップリングを意味する。意図しない電子ディフェージングとは、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造の重ね合わせによる、保存光子を所望に放出する前に、意図しない放出を生じさせる、エネルギー状態の第１の基底状態Ｇ１への転移（例えば、フォノン支援カップリング）を意味する。例えば、意図しない電子ディフェージングとは、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０が第１のポンプパルス又は第２のポンプパルスを受信する前に生じる、電子（例えば、重ね合わせ）のディフェージングを意味する。更に、意図しない電子ディフェージングを低下させることによって、より長い光子保存寿命及びより大きな光子保存効率を容易にすることができる。
【００３６】
ドープ多結晶セラミック光学素子１２０のフォノンエネルギーを低下させることによって、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の光子保存寿命及び光子保存効率を向上させることができる。光子保存寿命とは、意図しない電子（例えば、重ね合わせ）のディフェージングによって、保存光子が放出される前に、保存光子がドープ多結晶セラミック光学素子１２０に保存されたままであり得る最大の時間を意味する。更に、光子保存効率とは、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を横断する保存光子が、吸収保存される割合を意味する。更に、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の減衰が少ないため、光子保存効率が向上する。減衰は、例えば、第１、第２のポンプレーザー１８０ａ、１８０ｂを、図１に示すように、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の対向する端部に光学的に結合して、散乱を抑制することによって、低減することができる。更に、減衰は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の空隙の数を少なくすることによって低減することができる。一部の実施形態において、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は空隙を有していない。
【００３７】
更に、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の結晶格子１２２に希土類元素ドーパント１３０を均一に分散させることによって、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の個々の結晶間の粒界における希土類元素ドーパント１３０のクラスタリングを防止することができる。均一に分散させることによって、スピン−スピン相互作用を抑制し、それによって意図しない電子崩壊を低減することができる。更に、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を、例えば、冷却システム１９０を使用して冷却することによって、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０のフォノンの個数を減少させ、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の光子保存寿命及び光子保存効率を向上させることができる。
【００３８】
ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、約３μＮ以下、例えば、約１μＮ以下の核磁気モーメントを有する元素を含むことができる。作用において、より小さい磁気モーメントは、希土類元素ドーパント１３０に対する、核磁気モーメントの小さい元素の磁気双極子−双極子相互作用がより小さいため、より長い光子保存寿命と相関する。非限定的な例として、各々が低い磁気モーメントを有するＹ、Ｓｎ、及びＰｂ等の元素もドープ多結晶セラミック光学素子１２０に存在することができる。更に、より重い元素は、より低いフォノンエネルギーも有することができるため、より高い原子量を有する材料を含むドープ多結晶セラミック光学素子１２０が望ましと考えられる。
【００３９】
希土類元素ドーパント１３０でドープした、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、希土類元素ドーパント１３０でドープした、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の光子保存寿命、及び光子保存効率を増加させる狭い均一な線幅を有することもできる。特に、より狭い均一な線幅は、より長い格子保存寿命と直接相関する。本明細書において、不均一な線幅とは、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の希土類元素ドーパント１３０の吸収ピーク（例えば、最大吸収が生じる波長）の半値全幅（ＦＷＨＭ）のスペクトル線幅を意味する。希土類元素ドーパント１３０でドープした、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の不均一線幅は、例えば、２ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍ、２０ｎｍ等、約１ｎｍ〜約２５ｎｍ、約５ｎｍ〜約１５ｎｍとすることができる。更に希土類元素ドーパント１３０でドープした、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の均一線幅は、約７．５ＭＨｚ以下、例えば、７ＭＨｚ、６ＭＨｚ、５ＭＨｚ、４ＭＨｚ、３ＭＨｚ、２ＭＨｚ、１ＭＨｚ等とすることができる。
【００４０】
１つの非限定的な例として、エルビウムを含む希土類元素ドーパント１３０でドープした、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の吸収ピークは、約１５１０ｎｍ〜約１５５０ｎｍ、例えば、１５４０等、約１５３５ｎｍ〜約１５４５ｎｍとすることができる。別の非限定的な例として、ツリウムを含む希土類元素ドーパント１３０でドープした、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の吸収ピークは、約１６００ｎｍ〜約１７００ｎｍ、例えば、１６６０ｎｍ等、約１６２５ｎｍ〜約１６７５ｎｍとすることができる。更に、作用において、希土類元素ドーパント１３０でドープした、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、吸収ピーク波長の１５ｎｍ以内、例えば１０ｎｍ以内、５ｎｍ以内、又は吸収ピーク波長と等しい波長を含む、第１のポンプレーザー１８０ａによって出力された第１のポンプパルスを受信すると、前述のように、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を横断する保存光子を吸収保存するように構成されている。更に、希土類元素ドーパント１３０でドープした、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、吸収ピーク波長の１５ｎｍ以内、例えば１０ｎｍ以内、５ｎｍ以内、又は吸収ピーク波長と等しい波長を含む、第２のポンプレーザー１８０ｂによって出力された第２のポンプパルスを受信すると、保存光子を放出することができる。
【００４１】
格子保存寿命と均一線幅との関係は、以下の式によって数学的に記述することができる。
【００４２】
【数１】
2019523961.tif 000003
【００４３】
【数２】
2019523961.tif 000004
【００４４】
ここでＶ１は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の結晶場の第１の空間導関数、Ｖ２はドープ多結晶セラミック光学素子１２０の結晶場の第２の空間導関数、ρ１はＶ１による遷移の確率振幅、ρ２はＶ２による遷移の確率振幅、ｃは光速、ρはホスト材料、例えば、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の密度、νは結晶中の音波の平均速度、
【００４５】
【数３】
2019523961.tif 000005
【００４６】
は電子（例えば、希土類元素ドーント１３０の電子）の基底状態、
【００４７】
【数４】
2019523961.tif 000006
【００４８】
は電子（例えば、希土類元素ドーパント１３０の電子）の励起状態である。更に、フォノン結合係数βｉｊは、
【００４９】
【数５】
2019523961.tif 000007
【００５０】
と数学的に記述することができ、ここで、ｃは光速、ωｉはドープ多結晶セラミック光学素子１２０の均一線幅、ρ１は、遷移の一次確率振幅である。前述のように、より小さい（例えば狭い）均一な線幅は、より小さい光子結合係数を生成する。更に、小さいフォノン結合係数は、低いフォノンエネルギーに相関し、低フォノンエネルギーは、より長い格子保存寿命を可能にする。従って、均一な線幅は、光子保存寿命に反比例し、より狭い均一線幅は、より長い光子保存寿命を可能にする。
【００５１】
前述の式を組み合わせると、均一な寿命も以下のように数学的に記述することができる。
【００５２】
【数６】
2019523961.tif 000008
【００５３】
ここで、ｃは光速、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度（例えば、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の温度）、ＴＤはデバイ温度、ρ１は、遷移の一次確率振幅、ρ２は、遷移の二次確率振幅、Ｅはエネルギーレベルである。
【００５４】
一部の実施形態において、希土類元素ドーパント１３０はＰｒ３＋、Ｔｍ３＋等の非クラマース希土類イオンを含むことができる。非クラマース希土類元素イオンをドープしたドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、例えば、非クラマース希土類元素イオンは、クラマース縮退がないため、クラマース希土類イオンをドープしたドープ多結晶セラミック光学素子１２０と比較して、より狭い均一線幅を有することができる。これにより、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の光子保存寿命が長くなり、意図しない電子崩壊が減少する。更に、希土類元素ドーパント１３０がツリウムを含む場合、ツリウムを含む希土類元素ドーパント１３０の電子は、エルビウムを含む希土類元素ドーパント１３０より弱い磁場内に配置されたとき、第１、第２の基底状態Ｇ１及びＧ２（図２）に分割される。
【００５５】
再度図１及び２において、量子メモリシステム１００を使用して保存光子を保存及び放出する方法が考えられる。本方法は、以下において特定の順序で説明されているが、別の順序も考えられることを理解されたい。図１において、本方法は、最初に磁場発生ユニット１４０を使用して、磁場を発生させるステップを備えることができる。前述のように、磁場発生ユニット１４０を使用して磁場を発生させると、ドープされた希土類元素ドーパント１３０の電子が、図２に示すように、第１の基底状態Ｇ１及び第２の基底状態Ｇ２に分割される。
【００５６】
本方法は、更に、１つ以上のポンプレーザー１８０によって出力された複数のポンプパルスをドープ多結晶セラミック光学素子１２０に照射することによって、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の希土類元素ドーパント１３０内に成形スペクトル構造を生成する。次に、本方法は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０に光学的に結合された保存光子発生器１７０から保存光子を発生させるステップであって、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０が、保存光子を受信すると、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造の重ね合わせが、第１の分割基底状態Ｇ１から励起エネルギー状態Ｅ１に転移することによって、希土類元素ドーパント１３０が保存光子を吸収する、ステップを備えている。例えば、保存光子は、約３００ｎｍ〜約１０μｍ、例えば、５００ｎｍ、１５５０ｎｍ、２２００ｎｍ等の波長を有することができる。次に、本方法は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０に光学的に結合された第１のポンプレーザー１８０ａから第１のポンプパルスを発生さるステップであって、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０が、第１のポンプパルスを受信すると、第１のポンプパルスによって、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造の重ね合わせが、励起エネルギー状態から第２の分割基底状態Ｇ２に転移して、保存光子がドープ多結晶セラミック光学素子１２０内に保存される、ステップを更に備えている。
【００５７】
更に図１及び２において、本方法は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０に光学的に結合された第２のポンプレーザー１８０ｂから、第２のポンプパルスを発生さるステップであって、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０が、第２のポンプパルスを受信すると、第２のポンプパルスによって、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造の重ね合わせが、第２の分割基底状態Ｇ２から励起エネルギー状態Ｅ１に転移する、ステップを更に備えている。励起エネルギー状態Ｅ１に戻ると、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造の重ね合わせは、ある遅延期間後に、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０から保存光子が出射するように、保存光子を自動的に放出することになる。
【００５８】
更に、作用において、量子メモリシステム１００、より具体的には、希土類元素ドーパント１３０でドープしたドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、保存光子を吸収し、約５００ｎｓ〜約１ｍｓ、例えば、約１μｓ〜約１ｍｓ、又は約１０μｓ〜約１ｍｓの光子保存寿命の間、保存することができる。更に、作用において、量子メモリシステム１００、より具体的には、希土類元素ドーパント１３０でドープした、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を横断する複数の保存光子の約５０％以上、例えば、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を横断する複数の保存光子の約７０％以上、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を横断する複数の保存光子の約９０％以上等を吸収保存することができる。
【００５９】
図３Ａ及び３Ｂにおいて、図１のドープ多結晶セラミック光学素子１２０を製造する方法が考えられる。本方法は、以下において特定の順序で説明されているが、別の順序も考えられることを理解されたい。図３Ａに示すように、本方法は、まず複数の遷移金属錯体１１２、複数の希土類金属錯体１１４、有機前駆体１１６、及び、脱イオン水等の水を混合して、前駆体混合物１１１を形成するステップを備えている。複数の遷移金属錯体１１２は、ジルコニウム、イットリウム、又はこれ等の組み合わせ等の遷移金属を含む、金属塩等の金属錯体を含むことができる。更に、複数の遷移金属錯体１１２の遷移金属は、誘電材料の立方晶を含むことができ、各々約２５ｎｍ〜約２５０ｎｍ、例えば、５０ｎｍ、７５ｎｍ、１００ｎｍ、１２５ｎｍ、１５０ｎｍ、２００ｎｍ等の断面寸法（例えば、直径）を有することができる。一例として、複数の遷移金属錯体１１２は、ＹＣｌ３・６Ｈ２Ｏを含むことができる。
【００６０】
更に、複数の希土類金属錯体１１４は、前述の任意の希土類元素を含む金属塩等の金属錯体を含むことができる。一例として、希土類金属錯体１１４は、ＥｒＣｌ３・６Ｈ２Ｏを含むことができる。前述のように、希土類金属錯体１１４を用いて複数の希土類ドープナノ粒子１１０を形成することによって、得られるドープ多結晶セラミック光学素子１２０に配置される希土類元素ドーパント１３０は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の結晶格子１２２により均一に分散させることができ、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の性能が向上する。更に、有機前駆体１１６は尿素、水酸化アンモニウム等を含むことができる。
【００６１】
一例として、前駆体混合物１１１は、約４０ｇ〜８０ｇ、例えば、５０ｇ、６０ｇ、６５ｇ、６５．５３ｇ、７０ｇ等の遷移金属錯体１１２を含むことができる。前駆体混合物１１１は、約０．０１ｇ〜約０．５ｇ、例えば、約０．０５ｇ、０．１ｇ、０．１５ｇ、０．２ｇ、０．２５ｇ、０．３５ｇ等の希土類金属錯体１１４を含むこともできる。更に、前駆体混合物１１１は、約３５０ｇ〜約４５０ｇ、例えば、約３７５ｇ、３８８．８ｇ、４００ｇ、４２５ｇ等の有機前駆体１１６を含むことができる。更に、前駆体混合物１１１は、約２Ｌ〜約６Ｌ、例えば、約３Ｌ、４Ｌ、４．３２Ｌ、５Ｌ等の脱イオン水を含むことができる。
【００６２】
更に図３Ａ及び３Ｂにおいて、本方法は、複数の遷移金属錯体１１２、複数の希土類金属錯体１１４、有機前駆体１１６、及び脱イオン水（例えば前駆体混合物１１１）をある加熱温度である加熱期間加熱して、有機前駆体１１６の熱分解を誘起し、遷移金属錯体１１２、希土類金属錯体１１４、及び有機前駆体１１６間に化学反応を生じさせ、図３Ｂに示すように、複数の希土類ドープナノ粒子１１０を生成するステップを更に備えることができる。例えば、加熱温度は、約７０℃〜約１００℃、例えば、８０℃、９０℃、９５℃等であってよく、加熱期間は、約０．５時間〜約３時間、例えば、１時間、２時間等であってよい。
【００６３】
作用において、尿素等の有機前駆体１１６の熱分解によって、複数の遷移金属錯体１１２の遷移金属及び加熱金属塩溶液１１５’の複数の希土類金属錯体１１４の希土類金属と反応するＯＨ−及びＣＯ３２−が生成され、例えば、Ｙ１−ｘＥｒｘ（ＯＨ）ＣＯ３・Ｈ２Ｏナノ粒子等の複数の希土類ドープナノ粒子１１０を生成することができる。更に、Ｙ１−ｘＥｒｘ（ＯＨ）ＣＯ３・Ｈ２Ｏナノ粒子を濾過、収集し、次いで、約６００℃、７００℃、８００℃等、約５００℃〜約９００℃のアニーリング温度でアニールして、Ｙ１−ｘＥｒｘ（ＯＨ）ＣＯ３・Ｈ２Ｏナノ粒子を（Ｙ１−ｘＥｒｘ）２Ｏ３希土類ドープナノ粒子１１０に変換することができる。アニール後、希土類ドープナノ粒子１１０は結晶構造を有することができる。更に、希土類ドープナノ粒子１１０の化学収率を、８８％、９０％、９２％、９５％等、約８５％〜約９８％とすることができる。
【００６４】
複数の希土類ドープナノ粒子１１０の直径は、前駆体混合物１１１中の複数の遷移金属錯体１１２の濃度を変えることによって変更することができる。一例として、前駆体混合物１１１中の複数の遷移金属錯体１１２の濃度が、約０．０１２５Ｍのとき、得られる希土類ドープナノ粒子１１０の直径は約１００ｎｍとすることができる。別の例として、前駆体混合物１１１中の複数の遷移金属錯体１１２の濃度が、約０．０５Ｍのとき、得られる希土類ドープナノ粒子１１０の直径は約１５０ｎｍとすることができる。更に、前駆体混合物１１１中の複数の遷移金属錯体１１２の濃度は、０．０５Ｍ未満であることが望ましいと考えられ、この理由は、前駆体混合物１１１中の遷移金属錯体１１２の濃度が０．０５Ｍを超えると、得られる希土類ドープナノ粒子１１０が不均一になり凝集する可能性があるためである。
【００６５】
更に、複数の希土類ドープナノ粒子１１０の希土類元素ドーパントの量は、前駆体混合物１１１中の遷移金属錯体１１２と希土類金属錯体１１４との比を変えることによって変更することができる。一例として、遷移金属錯体１１２と希土類金属錯体１１４との比が、複数の遷移金属錯体１１２が、複数の希土類金属錯体１１４の約１３７パート〜約１パートの場合、得られる希土類ドープナノ粒子１１０は、約０．９７％の希土類元素ドーパントを含むことができる。別の例として、遷移金属錯体１１２と希土類金属錯体１１４との比が、複数の遷移金属錯体１１２が、複数の希土類金属錯体１１４の約５４８パート〜約１パートの場合、得られる希土類ドープナノ粒子１１０は、約０．２５％の希土類元素ドーパントを含むことができる。
【００６６】
本方法は、粉砕媒体、例えば、（日本の東京に所在の）東ソー（株）製のＹＺＴ（登録商標）粉砕媒体等のイットリア安定化粉砕媒体等を使用して、複数の希土類ドープナノ粒子１１０を粉砕するステップを更に備えることができる。粉砕媒体は、約１ｍｍ〜３ｍｍ、例えば、１．５ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍ等の直径を有することができる。更に、粉砕プロセスの前又は最中に、エタノール溶媒、１−ブタノール、プロピレングリコール、例えば、ｐｈｏｓｐｈａｌｏｎ（商標）ＰＳ−２３６等の有機リン酸塩、及び脱イオン水の混合物等の追加の材料を添加することができる。作用において、約７５時間〜約１００時間、例えば、約８０時間、８５時間、９０時間、９５時間等の時間、希土類ドープナノ粒子１１０を粉砕することができる。更に、ＶＩＢＲＡ−ＭＩＬＬ（登録商標）粉砕システムを使用して、希土類ドープナノ粒子１１０を粉砕することができる。
【００６７】
一例として、約１００ｇ〜約１５０ｇ、例えば、１１０ｇ、１２０ｇ、１３０ｇ、１４０ｇ等の粉砕媒体を使用して、約２５ｇの希土類ドープナノ粒子１１０を粉砕することができる。更に、粉砕プロセスの前又は最中に添加される追加材料は、約１５ｇ〜約２０ｇ、例えば、約１６ｇ、１７ｇ、１８ｇ、１８．３ｇ、１９ｇ等のエタノール溶媒、約２ｇ〜約６ｇ、例えば、約３ｇ、４ｇ、４．４ｇ、５ｇ等の１−ブタノール、約０．５ｇ〜約１．５ｇ、例えば、１．０ｇ等のプロピレングリコール、約０．２５ｇ〜約０．５ｇ、例えば、約０．３ｇ、０．３５ｇ、０．３８ｇ、０．４ｇ、０．４５ｇ等のｐｈｏｓｐｈａｌｏｎＰＳ−２３６等の有機リン酸塩、及び約０．５ｇ〜約２．５ｇ、例えば、約１ｇ、１．３ｇ、１．５ｇ、２ｇ等の脱イオン水を含むことができる。
【００６８】
作用において、粉砕プロセスによって、複数の希土類ドープナノ粒子１１０が、例えば、篩を使用して濾過行程中に粉砕媒体から分離することができる、スラリーに分散される。次に、Ｂｕｔｖａｒ（登録商標）ポリビニルブチラール（ＰＶＢ−Ｂ９８）等の１種以上のバインダー及び、例えば、ジブチルフタレート等の１種以上の可塑剤を、希土類ドープナノ粒子１１０を有するスラリーに添加し、次に、例えば、Ｍａｚｅｒｕｓｔａｒ（商標）プラネタリミキサー（例えば、モデルＫＫ−４００Ｗ）を使用して、これを混合することができる。次に、約２５ＲＰＭで動作するローラーを使用して、希土類ドープナノ粒子１１０を有するスラリーを約１８〜２４時間圧延して、例えば、希土類ドープナノ粒子１１０を有するスラリー内の空気を除去することができる。空気を除去することによって、得られる（例えば、後述する焼結プロセスを使用して形成される）ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を空隙なしとすることができる。作用において、空隙を少なくして、得られるドープ多結晶セラミック光学素子１２０の透明性を高めるためには、より長い粉砕プロセス、例えば、約９０時間以上の粉砕プロセスが望ましい。
【００６９】
一部の実施形態において、例えば、ＴＡＭ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ（登録商標）油圧式テープ成形装置を用いて、テープ成形プロセス等の成形プロセスを使用し、希土類ドープナノ粒子１１０を有するスラリーをフィルムに成形することができる。成形後、例えば、２０時間、２２時間等、約１８時間〜約２４時間の乾燥期間、フィルムと被覆材料との間に空隙が存在するように、被覆材料でフィルムを被覆することによって、希土類ドープナノ粒子１１０を有するスラリーを乾燥させることができる。次に、約５０℃の乾燥オーブンで約２０〜２５分間、希土類ドープナノ粒子１１０を有するフィルムを乾燥させることができ、これによって希土類ドープナノ粒子１１０を有するフィルムに存在する有機物を除去することができる。更に、希土類ドープナノ粒子１１０を有するフィルムは、例えば、７５μｍ、５０μｍ、２５μｍ、２０μｍ、１５μｍ、１０μｍ等、約１００μｍ以下の厚さを有することができる。
【００７０】
ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を製造する方法は、例えば、希土類ドープナノ粒子１１０を有するフィルムを焼結する等、希土類ドープナノ粒子１１０を焼結して、前述の希土類元素ドーパント１３０を有するドープ多結晶セラミック光学素子１２０を形成するステップを更に備えることができる。焼結前に、アルミナセッター等のセッターに、希土類ドープナノ粒子１１０を有するフィルムを載置することができる。セッターに載置後、ＣＭ（商標）炉等の焼結炉を使用して、希土類ドープナノ粒子１１０を有するフィルムを焼結することができる。
【００７１】
一例として、焼結プロセスの間、以下の焼結スケジュールを用いて、希土類ドープナノ粒子１１０を有するフィルムを焼結することができる。まず、希土類ドープナノ粒子１１０を有するフィルムを、約１時間の加熱期間、室温から２００℃まで加熱し、次いで、フィルムを、約２時間の加熱期間、約２００℃から約５００℃まで加熱し、次いで、約５時間の加熱期間、５００℃から約１５５０℃まで加熱することができる。次に、希土類ドープナノ粒子１１０を有するフィルムを、約２時間の滞留時間の間、例えば、少なくとも約１５００℃以上の温度等、約１５５０℃の温度に維持し、次いで、約３時間の冷却期間にわたり、１５５０℃から約室温に冷却することができる。作用において、空隙を減少させ、得られるドープ多結晶セラミック光学素子１２０の透明度を向上させるために、焼結プロセスの間、より高い最高温度、例えば、１５５０℃以上の温度が望ましい場合があり得る。
【００７２】
別の実施形態において、焼結プロセスを行う前に、複数の希土類ドープナノ粒子１１０を加圧してペレットに加工することができる。例えば、複数の希土類ドープナノ粒子１１０をスラリーに成形し、次いでフィルムに成形する代わりに、加圧してペレットに加工することができる。作用において、複数の希土類ドープナノ粒子１１０を、例えば、一軸プレス、等方圧プレス、又は両方で加圧して、希土類ドープナノ粒子１１０を有するペレットにすることができる。希土類ドープナノ粒子１１０を有するペレットは、３／４インチ（約１．９ｃｍ）の鋼製金型において約８Ｋポンド（約３．６３トン）力で一軸プレスすることができ、及び／又は、例えば、ラテックスの等方圧シース等の等方圧シースを使用して約２５Ｋｐｓｉ（約１．７２×１０８パスカル）で等方圧プレスすることができる。加圧後、ペレットを焼結することができる。焼結プロセスにおいて、約１２時間にわたり、ペレットを室温から最高温度まで加熱し、約２時間最高温度に維持することができる。更に、最高温度は、例えば、１４００℃、１４５０℃、１５００℃、１５１５℃、１５５０℃、１６００℃、１６１５℃、１６５０℃、１７００℃等、約１３００℃〜１８００℃であってよい。次に、約１２時間の冷却期間にわたり、ペレットを室温に戻すことができる。更に、希土類ドープナノ粒子１１０を有するペレットを焼結することによって、前述の希土類元素ドーパント１３０を有するドープ多結晶セラミック光学素子１２０が形成されることを理解されたい。
【００７３】
焼結後、約１４００℃〜約１８００℃、例えば、約１５１５℃、１６２５℃、１６５０℃等の温度で、ペレットを熱間等方圧プレスすることもできる。更に、希土類ドープナノ粒子１１０を有するペレットを加熱しながら、例えば、約４時間、約２９Ｋｐｓｉ（約２．００×１０８パスカル）の高圧力下に置くことができる。更に、熱間等方圧プレスプロセスの間、希土類ドープナノ粒子１１０を有するペレットを、アルゴン又は別の希ガス中に置くことができる。一部の実施形態において、焼結プロセス中に達成される最高温度は、熱間等方圧プレスプロセス中に達成される最高温度より高くすることができる。希土類ドープナノ粒子１１０を有するペレットを熱間等方圧プレスした後、ペレットを、例えば、０．５μｍのダイヤモンド仕上げに研磨することができる。研磨後、ペレットを空気中において１１００℃で２時間酸化させ、次いでアニールすることができる。アニールすることによって、熱間等方圧プレスプロセス中に、ペレットに拡散した炭素を除去することができる。かかる炭素汚染は、空気中において、約１２００℃で約１２時間アニールすることによって除去することができる。次いで、アニーリングプロセスを、例えば、約４時間繰り返すことができる。希土類ドープナノ粒子１１０を有するペレットを焼結することによって、前述の希土類元素ドーパント１３０を有するドープ多結晶セラミック光学素子１２０が形成されることを理解されたい。
【００７４】
図３Ｃ〜３Ｅにおいて、図１に示すドープ多結晶セラミック光学素子１２０を製造する別の方法が考えられる。図３Ｃに示すように、本方法は、まず、複数の遷移金属錯体１１２、複数の希土類金属錯体１１４、及び脱イオン水を混合して、金属塩溶液１１５を形成するステップを備えている。一例として、金属塩溶液１１５は、例えば、約５０ｇ、６０ｇ、６５ｇ、６５．５３ｇ、７０ｇ等、約４０ｇ〜約８０ｇの遷移金属錯体１１２を含むことができる。金属塩溶液１１５は、例えば、約０．０５ｇ、０．１ｇ、０．１５ｇ、０．２ｇ、０．２５ｇ、０．３５ｇ等、約０．０１ｇ〜約０．５ｇの希土類金属錯体１１４も含むことができる。更に、金属塩溶液１１５は、例えば、約３Ｌ、４Ｌ、４．３２Ｌ、５Ｌ等、約２Ｌ〜約６Ｌの脱イオン水を含むことができる。１つの実施例において、金属塩溶液１１５は、約４Ｌの脱イオン水に、約０．２〜０．２５モルの金属塩（例えば、複数の遷移金属錯体１１２及び複数の希土類金属錯体１１４）を含むことができる。
【００７５】
更に図３Ｃ〜３Ｅにおいて、本方法は、金属塩溶液１１５を加熱して、加熱金属塩溶液１１５’を形成するステップを更に備えている。例えば、金属塩溶液１１５は、約８０℃、９０℃、１００℃等、約７０℃〜約１００℃の温度に加熱することができる。一例として、加熱金属塩溶液１１５’を沸点まで加熱することができる。次に、図３Ｄに示すように、加熱金属塩溶液１１５’に有機前駆体１１６を混合して、希土類ドープナノ粒子１１０の形成を誘導することができる。一部の実施形態において、加熱金属塩溶液１１５’に混合されるときの有機前駆体１１６の温度は、加熱金属塩溶液１１５’の温度より低くてもよく、別の実施形態において、有機前駆体１１６は、加熱金属塩溶液１１５’と同じ温度かそれより高い温度であってよい。
【００７６】
更に、加熱金属塩溶液１１５’を前もって形成し、次いで、加熱金属塩溶液１１５’に有機前駆体１１６を混合することによって、図３Ａ及び３Ｂに関連して前述した、前駆体混合物１１１を使用して形成した、希土類ドープナノ粒子１１０と比較して、小さい直径を有する希土類ドープナノ粒子１１０の形成を誘導することができる。例えば、有機前駆体１１６と加熱金属塩溶液１１５’とを混合することによって形成した、希土類ドープナノ粒子１１０は、１００ｎｍ以下、５０ｎｍ以下、４０ｎｍ以下、３０ｎｍ以下等、２００ｎｍ以下とすることができる。理論に束縛されることを意図するものではないが、有機前駆体１１６と加熱金属塩溶液１１５’とを混合することによって、より多くの希土類ドープ核が生成され、それによって、より小さい希土類ドープナノ粒子１１０が形成されるものと考えられている。
【００７７】
作用において、尿素等の有機前駆体１１６の熱分解によって、複数の遷移金属錯体１１２の遷移金属及び加熱金属塩溶液１１５’の複数の希土類金属錯体１１４の希土類金属と反応するＯＨ−及びＣＯ３２−が生成され、例えば、Ｙ１−ｘＥｒｘ（ＯＨ）ＣＯ３・Ｈ２Ｏナノ粒子等の複数の希土類ドープナノ粒子１１０を生成することができる。更に、Ｙ１−ｘＥｒｘ（ＯＨ）ＣＯ３・Ｈ２Ｏナノ粒子を濾過、収集し、次いで、約６００℃、７００℃、８００℃等、約５００℃〜約９００℃のアニーリング温度でアニールして、Ｙ１−ｘＥｒｘ（ＯＨ）ＣＯ３・Ｈ２Ｏナノ粒子を（Ｙ１−ｘＥｒｘ）２Ｏ３希土類ドープナノ粒子１１０に変換することができる。アニール後、希土類ドープナノ粒子１１０は結晶構造を有することができる。更に、希土類ドープナノ粒子１１０の化学収率を、８８％、９０％、９２％、９５％等、約８５％〜約９８％とすることができる。
【００７８】
更に、図３Ｃ〜３Ｅの方法において、更に、複数の希土類ドープナノ粒子１１０の希土類元素ドーパントの量は、金属塩溶液１１５中の遷移金属錯体１１２と希土類金属錯体１１４との比を変えることによって変更することができる。例えば、金属塩溶液１１５中の希土類金属錯体１１４の相対量を増加させると、得られる複数の希土類ドープナノ粒子１１０における希土類元素ドーパントの量を増加させることができる。図３Ｃ〜３Ｅに示す方法は、図３Ａ及び３Ｂに関連して説明したように、粉砕媒体を使用して、複数の希土類ドープナノ粒子１１０を粉砕してスラリーを形成するステップ、スラリーから粉砕媒体を濾過するステップ、及びスラリーに１種以上のバインダーを添加するステップを更に備えることができる。
【００７９】
更に図３Ｃ〜３Ｅにおいて、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を製造する方法は、次に、図３Ａ及び３Ｂに関連して説明した任意の焼結プロセスを使用して、複数の希土類ドープナノ粒子１１０を焼結するステップを備えることができる。１つの例示的なプロセスにおいて、鋼製金型を使用して、約８ＫＩｂｓ（約３．６３トン）の力等、約６ＫＩｂｓ（約２．７２トン）の力〜約１０ＫＩｂｓ（約４．５４トン）の力で加圧して、複数の希土類ドープナノ粒子１１０をペレットにすることができる。次に、希土類ドープナノ粒子１１０のペレットは、例えば、ラテックスの等方圧シースを使用して、室温で、例えば、２５Ｋｐｓｉ（約１．７２×１０８パスカル）等、２０Ｋｐｓｉ（約１．３８×１０８パスカル）〜３０Ｋｐｓｉ（約２．０７×１０８パスカル）で等方圧加圧することができる。希土類ドープナノ粒子１１０のペレットは、次に、１３００℃以上の焼結温度で、約１．５時間〜約２．５時間、例えば約２時間、焼結することができる。焼結後、約１３００℃〜約１６００℃（例えば、１５００℃）の温度で、約１４時間〜約１８時間（例えば、１６時間）の熱間等方圧加圧期間、約１５Ｋｐｓｉ（約１．０３×１０８パスカル）〜約３５Ｋｐｓｉ（約２．４１×１０８パスカル）（例えば、２９Ｋｐｓｉ（約２．００×１０８パスカル））の圧力で、希土類ドープナノ粒子１１０のペレットを、次に熱間等方圧加圧することができる。熱間等方圧加圧形成ステップは、アルゴン存在下のグラアファイト炉内で行うことができる。熱間等方圧加圧形成ステップの間、希土類ドープナノ粒子１１０のペレットを、Ｙ２Ｏ３の粉末中に配置（例えば、埋設）して、炭素汚染を低減することができる。作用において、熱間等方圧加圧によって、希土類ドープナノ粒子１１０のペレットを圧縮する（例えば、密度を増加させる）ことができる。形成後、ドープ多結晶セラミック光学素子を、約０．５μｍの表面粗さの表面仕上げに研磨することができる。
【００８０】
１つの例示的な製造プロセスにおいて、希土類ドープナノ粒子１１０のペレットをまず、約１５５０℃の焼結温度で焼結し、次いで約１５１５℃の温度で等方圧加圧することができる。第２の例示的な製造プロセスにおいて、希土類ドープナノ粒子１１０のペレットをまず、約１５５０℃の焼結温度で焼結し、次いで約１５１５℃の温度で等方圧加圧することができる。第３の例示的な製造プロセスにおいて、希土類ドープナノ粒子１１０のペレットをまず、約１５５０℃の焼結温度で焼結し、次いで約１５１５℃の温度で等方圧加圧することができる。前述の３つの例示的な製造プロセスの各々において、焼結圧力は約２９Ｋｐｓｉ（約２．００×１０８パスカル）、焼結期間は約２時間、熱間等方圧加圧期間は約１６時間であってよい。更に、３つの例示的なプロセスの各々において、熱間等方圧加圧温度を焼結プロセスより低くすることによって、熱間等方圧加圧中における結晶粒の成長を抑制することができる。
【００８１】
更に、図３Ｃ〜３Ｅの製造方法を使用して形成して得られた、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を横断する、各々が約１５３５ｎｍ、１５５０ｎｍ等、約１０００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長を有する複数の光子の例えば、７５％、７７％、８０％、８１％、８１．５％、８１．７％等、約７０％〜約８２％の軸方向光透過率を可能にするように構成することができる。更に、複数の光子の散乱角を約２．５°とすることができる。ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の個々の結晶は、例えば、約０．２μｍ、０．４μｍ、０．６μｍ、０．８μｍ、１μｍ、１．２μｍ、１．４μｍ、１．６μｍ、１．８μｍ、２μｍ、２．２μｍ、２．４μｍ等、約０．１５μｍ〜約２．５μｍの粒子サイズ（例えば、各々の結晶の最大寸法）を有することができる。更に、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の個々の結晶の平均粒子面積は、例えば、０．２６μｍ２、０．２７μｍ２、０．２８μｍ２、０．２９μｍ２、０．３μｍ２、０．３１μｍ２、０．３２μｍ２、０．３３μｍ２、０．３４μｍ２等、約０．２５μｍ２〜約０．３５μｍ２とすることができる。更に、粒子サイズは、焼結プロセス中の焼結温度を変えることによって調整することができる。例えば、焼結温度が高ければ高いほど、より大きい粒子面積を有する結晶を形成することができる。一例として、希土類ドープナノ粒子１１０のペレットを約１５５０℃の温度で焼結すると、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の個々の結晶は、約０．７μｍ〜約２．１μｍの粒子サイズを有することができる。
【００８２】
作用において、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の形成に使用される焼結温度は、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０内に形成される残留気孔等の散乱中心の大きさ及び密度に相関する。焼結温度を下げることによって、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を光子が横断するとき、散乱誘起減衰を生じさせる散乱中心の大きさ及び密度が低下する。このように、散乱中心の大きさ及び密度を低減することによって、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を横断する光子の減衰率を低下させることができる。保存光子等の複数の光子が、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を横断するときの複数の光子の散乱誘起減衰は、透過散乱係数μで定義することができ、ここで、μは、
【００８３】
【数７】
2019523961.tif 000009
【００８４】
であり、Ｔｔはドープ多結晶セラミック光学素子１２０を通る複数の光子の全光透過率、
Ｔａはドープ多結晶セラミック光学素子１２０を横断する複数の光子の軸方向光透過率、Ｌはドープ多結晶セラミック光学素子１２０の厚さである。散乱中心を減少させると、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を横断する複数の光子の軸方向光透過率を向上させることができ、従って、より低い焼結温度を使用して、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を形成することによって、散乱誘起減衰を減少させ、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０を横断する光子全体の減衰率を低下させることができる。
【００８５】
更に、より小さい径の希土類ドープナノ粒子１１０を用いて形成した、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０は、より大きい径の希土類ドープナノ粒子１１０を用いて形成した、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０と比較して、低い減衰率を可能にすることができる。例えば、図３Ｃ〜３Ｅに関連して説明した製造方法を用いて形成した、ドープ多結晶セラミック光学素子１２０の減衰率は、５ｄＢ／ｍｍ以下、４ｄＢ／ｍｍ以下、３ｄＢ／ｍｍ以下、２ｄＢ／ｍｍ以下、１ｄＢ／ｍｍ以下等とすることができる。
【００８６】
図４において、量子中継器システム２０１、１つ以上の磁場発生ユニット２４０、及び１つ以上のポンプレーザー２８０を備えた、光学システム２００が模式的に示されている。量子中継器システム２０１は、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂ、及び中継器もつれ光学系２１０を備えている。更に、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂは、各々量子メモリシステム１００に関連して前述したドープ多結晶セラミック光学素子１２０を有することができる。
【００８７】
例えば、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂは、各々第１の端部２２６、及び第１の端部２２６に対向することができる第２の端部２２８を有している。更に、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂには、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂの各々の結晶格子２２２ａ、２２２ｂ内に均一に分散された、希土類元素ドーパント２３０がドープされている。希土類元素ドーパント２３０ａ、２３０ｂは、前述の任意の希土類元素ドーパント１３０を含むことができる。更に第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂは、前述のドープ多結晶セラミック光導波路を有することができる。更に、光学システム２００は、各々のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂに熱結合された冷却システム２９０を更に備えることができる。冷却システム２９０は、前述の任意の冷却システム１９０を有することができる。
【００８８】
１つ以上の磁場発生ユニット２４０は、前述の任意の磁場発生ユニット１４０を含むことができる。更に、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂは、１つ以上の磁場発生ユニット２４０が磁場を発生したとき、１つ以上の磁場発生ユニット２４０の磁場内に配置される。更に、図４には、１つの磁場発生ユニット２４０が示されているが、任意の数の磁場発生ユニット２４０が考えられることを理解されたい。例えば、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂを異なる磁場発生ユニット２４０の磁場内に配置することができる。
【００８９】
更に図４において、光学システム２００は、各々のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂ、例えば、各々のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂの第１の端部２２６ａ、２２６ｂに光学的に結合された、１つ以上の保存光子発生器２７０ａ、２７０ｂを更に備えている。例えば、第１の保存光子発生器２７０ａを、第１のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａの第１の端部２２６ａに光学的に結合し、第２の保存光子発生器２７０ｂを、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ｂの第１の端部２２６ｂに光学的に結合することができる。１つ以上の光子発生器２７０ａ、２７０ｂは、前述の任意の保存光子発生器１７０を含むことができる。
【００９０】
更に、１つ以上のポンプレーザー２８０が、ドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂに光学的に結合されている。例えば、１つ以上のポンプレーザー２８０は、各々が第１のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａに光学的に結合された第１のポンプレーザー２８０ａ、及び第２のポンプレーザー２８０ｂ、並びに各々が第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ｂに光学的に結合された第３のポンプレーザー２８０ｃ、及び第４のポンプレーザー２８０ｄを含むことができる。例えば、図４に示すように、第１のポンプレーザー２８０ａを、第１のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａの第１の端部２２６ａに光学的に結合し、第２のポンプレーザー２８０ｂを、第１のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａの第２の端部２２８ａに光学的に結合し、第３のポンプレーザー２８０ｃを、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ｂの第１の端部２２６ｂに光学的に結合し、第４のポンプレーザー２８０ｄを、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ｂの第２の端部２２８ｂに光学的に結合することができる。更に、１つ以上のポンプレーザー２８０は、前述の任意のポンプレーザー１８０を含むことができる。
【００９１】
更に、１つ以上の光子発生器２７０ａ、２７０ｂ、１つ以上のポンプレーザー２８０ａ、２８０ｂ、及び／又はドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂは、１つ以上の光子発生器２７０ａ、２７０ｂ、及び１つ以上のポンプレーザー２８０ａ、２８０ｂをドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂに光学的に位置合わせする、１つ以上のアラインメント機構２４２に結合することができる。更に、１つ以上のアラインメント機構２４２は、前述の任意のアラインメント機構１４２を含むことができる。更に、希土類元素ドーパント２３０ａ、２３０ｂをドープした、ドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂは、図１及び２に関連して説明したように、保存光子を吸収及び放出するように構成することができる。
【００９２】
光学システム２００は、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂ、例えば、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂのそれぞれの第１の端部２２６ａ、２２６ｂに光学的に結合された、第１、第２のＷＤＭ２６０ａ、２６０ｂを更に備えることができる。ＷＤＭ２６０ａ、２６０ｂは、各々前述のＷＤＭ１６０を含むことができる。更に、ＷＤＭ２６０ａ、２６０ｂは、保存光子経路２６２ａ、２６２ｂ、及びポンプパルス経路２６４ａ、２６４ｂの両方に光学的に結合することができ、例えば、ＷＤＭ２６０ａ、２６０ｂを、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂの第１の端部２２６ａ、２２６ｂと保存光子経路２６２ａ、２６２ｂ及びポンプパルス経路２６４ａ、２６４ｂの両方との間に配置することができる。
【００９３】
保存光子経路２６２ａ、２６２ｂは、ＷＤＭ２６０ａ、２６０ｂと中継器もつれ光学系２１０との間に延びることができる。例えば、第１の保存光子経路２６２ａは、第１のＷＤＭ２６０ａと中継器もつれ光学系２１０の第１のもつれ経路２１２ａとの間に延び、それぞれに光学的に結合することができる。更に、第２の保存光子経路２６２ｂは、第２のＷＤＭ２６０ｂと中継器もつれ光学系２１０の第２のもつれ経路２１２ｂとの間に延び、それぞれに光学的に結合することができる。更に、ポンプパルス経路２６４ａ、２６４ｂは、ＷＤＭ２６０ａ、２６０ｂと、前述のポンプパルス受信器１６８を含むことができる、ポンプパルス受信器２６８ａ、２６８ｂとの間に延びることができる。
【００９４】
図４に示すように、光学システム２００は、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２ｂのそれぞれ、例えば、図４に示すように、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２ｂの第１の端部２２６ａ、２２６ｂのそれぞれに隣接配置され、それぞれに光学的に結合された、第１、第２の光サーキュレーター２５０ａ、２５０ｂを更に備えることができる。第１、第２の光サーキュレーター２５０ａ、２５０ｂは、前述の任意の光サーキュレーター１５０を含むことができる。例えば、第１、第２の光サーキュレーター２５０ａ、２５０ｂは、各々３つ以上のポート、例えば、第１の光ポート２５２ａ、１５２ｂ、第２の光ポート２５４ａ、２５４ｂ、及び第３の光ポート２５６ａ、２５６ｂを有することができる。
【００９５】
第１、第２の光サーキュレーター２５０ａ、２５０ｂは、第１、第２の保存光子発生器２７０ａ、２７０ｂと第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂとの間に配置される。例えば、第１、第２の光サーキュレーター２５０ａ、２５０ｂの第１の光ポート２５２ａ、２５２ｂは、それぞれ第１、第２の保存光子発生器２７０ａ、２７０ｂに光学的に結合され、第１、第２の光サーキュレーター２５０ａ、２５０ｂの第２の光ポート２５４ａ、２５４ｂは、それぞれ第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂの第１の端部２２６ａ、２２６ｂに光学的に結合される。
【００９６】
更に、第１の光サーキュレーター２５０ａは、少なくとも１つのポンプレーザー２８０（例えば、第１のポンプレーザー２８０ａ）と第１のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、例えば、第１のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａの第１の端部２２６ａとの間に、第１の光サーキュレーター２５０ａの第１の光ポート２５２ａが、１つ以上のポンプレーザー２８０の少なくとも１つ（例えば、第１のポンプレーザー２８０ａ）に光学的に結合され、第１の光サーキュレーター２５０ａの第２の光ポート２５４ａが、第１のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａの第１の端部２２６ａに光学的に結合されるように、配置することもできる。例えば、図４に示すように、第１の保存光子発生器２７０ａによって出力された保存光子、及び第１のポンプレーザー２８０ａによって出力されたポンプパルスが、第１の光サーキュレーター２５０ａの第１の光ポート２５２ａに入射し、第２の光ポート２５４ａ第１のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａの第１の端部２２６ａに向け、第２の光ポート２５４ａから出射するように、第１の保存光子発生器２７０ａ及び第１のポンプレーザー２８０ａが、それぞれ第１の光サーキュレーター２５０ａの第１のポート２５２ａに光学的に結合される。
【００９７】
更に、第２の光サーキュレーター２５０ｂは、少なくとも１つのポンプレーザー２８０（例えば、第３のポンプレーザー２８０ｃ）と第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ｂ、例えば、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ｂの第１の端部２２６ｂとの間に、第２の光サーキュレーター２５０ｂの第１の光ポート２５２ｂが、１つ以上のポンプレーザー２８０の少なくとも１つ（例えば、第３のポンプレーザー２８０ｃ）に光学的に結合され、第２の光サーキュレーター２５０ｂの第２の光ポート２５４ｂが、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ｂの第１の端部２２６ｂに光学的に結合されるように、配置することもできる。例えば、図４に示すように、第２の保存光子発生器２７０ｂによって出力された保存光子、及び第３のポンプレーザー２８０ｃによって出力されたポンプパルスが、第２の光サーキュレーター２５０ｂの第１の光ポート２５２ｂに入射し、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ｂの第１の端部２２６ｂに向け、第２の光ポート２５４ｂから出射するように、第２の保存光子発生器２７０ｂ及び第２のポンプレーザー２８０ｂが、それぞれ第２の光サーキュレーター２５０ｂの第１のポート２５２ｂに光学的に結合される。
【００９８】
第１、第２の光サーキュレーター２５０ａ、２５０ｂは、第１、第２それぞれのＷＤＭ２６０ａ、２６０ｂと第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂ、例えば、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂのそれぞれの第１の端部との間に配置することもできる。更に、第１、第２の光サーキュレーター２５０ａ、２５０ｂの第３のポート２５６ａ、２５６ｂは、第１、第２のＷＤＭ２６０ａ、２６０ｂが、保存光子が第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂを出射した後、保存光子を受信すると共に、第１、第２、第３、及び第４のポンプレーザーによって出力されたポンプパルスの一部又は全部を受信することができるように、それぞれ第１、第２のＷＤＭ２６０ａ、２６０ｂに光学的に結合される。
【００９９】
更に図４において、量子中継器システム２０１の中継器もつれ光学系２１０は、例えば、第１、第２のＷＤＭ２６０ａ、２６０ｂ、並びに第１、第２の保存光子経路２６２ａ、２６２ｂを使用して、各々ドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂの第１の端部２２６ａ、２２６ｂ、及び第２の端部２２８ａ、２２８ｂに光学的に結合された、２つのもつれ経路２１２ａ、２１２ｂを有している。２つのもつれ経路２１２ａ、２１２ｂは、２つのもつれ検出器２１４ａ、２１４ｂにも光学的に結合することができる。中継器もつれ光学系２１０は、各々のもつれ経路２１２ａ、２１２ｂが横断するように配置された、ビームスプリッターを更に有している。更に、２つのもつれ検出器２１４ａ、２１４ｂは、各々、例えば、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器、低ノイズフォトダイオード等、１つ以上の単一光子検出器を含むことができる。作用において、中継器もつれ光学系２１０は、ドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂの各々によって出力された保存光子が、ビームスプリッター２１６を同時に横断すると、保存光子対をもつれさせるように構造的に構成されている。
【０１００】
作用において、希土類元素ドーパント２３０ａ、２３０ｂをドープした、ドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂは、保存光子発生器２７０ａ、２７０ｂによって放出された、個々の保存光子を吸収保存するように構造的及び組成的に構成されている。例えば、各々のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂの希土類元素ドーパント２３０内に成形スペクトル構造が生成され、保存光子が各々のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂを横断すると、各々の保存光子が、各々希土類元素ドーパント２３０ａ、２３０ｂの重ね合わせを、図２に示すように、第１の分割基底状態Ｇ１から励起エネルギー状態Ｅ１に転移して、各々のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂ内のそれぞれの保存光子が吸収される。更に、第１、第２のポンプレーザー２８０ａ、２８０ｂによって出力された第１のポンプパルスを受信すると、各々の第１のポンプパルスは、各々のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂの希土類元素ドーパント２３０ａ、２３０ｂの成形スペクトル構造の重ね合わせを、励起エネルギー状態Ｅ１から第２の分割基底状態Ｇ２に転移して、各々の保存光子が保存される。
【０１０１】
希土類元素ドーパント２３０ａ、２３０ｂをドープした、各々のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂは、各々のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂ内に保存された保存光子を、オンデマンドで、放出するようにも構造的及び組成的に構成されている。例えば、第１、第２のポンプレーザー２８０ａ、２８０ｂによって出力された第２のポンプパルスを受信すると、希土類元素ドーパント２３０ａ、２３０ｂの成形スペクトル構造の重ね合わせが、第２の分割基底状態Ｇ２から励起エネルギー状態Ｅ１に戻る。励起エネルギー状態Ｅ１になると、希土類元素ドーパント１３０の成形スペクトル構造は、ある遅延期間後に、各々のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂ、例えば、各々のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂの第１の端部２２６ａ、２２６ｂから、保存光子が出射するように、保存光子を自動的に放出することになる。
【０１０２】
更に、第３及び第４のポンプレーザー２８０ｃ、２８０ｄが、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂによって同時に受信される第２のポンプパルスを放射すると（例えば、第２のポンプパルスを同時に放射すると）、第１、第２のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂが、（遅延時間後に）保存光子を同時に放出することになり、保存光子が中継器もつれ光学系２１０のビームスプリッター２１６を同時に横断することができ、保存光子をもつれさせる。更に、ドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂは、長い格子保存期間を有しているため、一方のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ／２２０ｂは、他方のドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ／２２０ｂが第２の保存光子を吸収保存する前に、第１の保存光子を吸収保存することができ、ドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂによって同時に受信されていない保存光子をドープ多結晶セラミック光学素子２２０ａ、２２０ｂによって同時に放出し、中継器もつれ光学系２１０によってもつれさせることができる。
【０１０３】
図５において、光学システム２００は、例えば、２つ以上のもつれ光子対等、４つ以上のもつれ光子を発生するように構造的に構成された、もつれ光子発生器３０１として構成することができる。更に、光学システム２００は、例えば、米国特許出願第１４／６８０，５２２号明細書に記載の量子鍵生成システム等、量子鍵生成システムの１つ以上の光子もつれ鎖内に配置することができる。図５に示すように、もつれ光子発生器３０１として構成された光学システム２００は、第１の量子中継器システム３１０ａ、第２の量子中継器システム３１０ｂ、中継器結合もつれ光学系３７０、経路スプリッター３７５、及びもつれ検出器３７２を有している。更に、第１の量子中継器システム３１０ａ、及び第２の量子中継器システム３１０ｂは、図４に関連して説明した任意の量子中継器システム２０１を含むことができる。
【０１０４】
一部の実施形態において、第１、第２の量子中継器システム３１０ａ、３１０ｂは、２つのもつれ検出器２１４ａ、２１４ｂ（例えば、前述の図４の中継器もつれ光学系２１０）を含まないもつれ光学系を有し、もつれ光子発生器３０１の中継器結合もつれ光学系３７０に、各々のもつれ経路２１２ａ、２１２ｂを光学的に結合することができる。別の実施形態において、第１、第２の量子中継器システム３１０ａ、３１０ｂは、もつれ検出器２１４ａ、２１４ｂを含むことができ、例えば、もつれ検出器２１４ａ、２１４ｂが保存光子を内部で終端せずに、保存光子を検出するように構造的に構成されている場合には、もつれ光子発生器３０１の中継器結合もつれ光学系３７０を各々のもつれ経路２１２ａ、２１２ｂに光学的に結合することができる。
【０１０５】
更に図５において、中継器結合もつれ光学系３７０は、第１の量子もつれ中継器システム３１０ａ及びもつれ検出器３７２に光学的に結合され、その間に延びる第１のもつれ経路３７１ａ、及び第２の量子もつれ中継器システム３１０ｂ及び経路スプリッター３７５に光学的に結合され、その間に延びる第２のもつれ経路３７１ｂを有することができる。更なる量子中継器システム３１０を備えた実施形態において、更なるもつれ経路３７１が考えられる。一部の実施形態において、中継器結合もつれ光学系３７０は、各々のもつれ経路３７１ａ、３７１ｂが横断するように配置された、ビームスプリッター３７３を更に有している。作用において、中継器結合もつれ光学系３７０は、複数の光子（例えば、保存光子）がビームスプリッター３７３を同時に横断するとき、複数の光子をもつれさせるように構造的に構成されている。例えば、第１、第２の量子中継器子システム３１０ａ、３１０ｂによって出力された各々のもつれ光子対が、ビームスプリッター３７３を同時に横断すると、４つの光子のすべてが互いにもつれ合う。
【０１０６】
更に、中継器結合もつれ光学系３７０は、第１、第２の量子中継器システム３１０ａ、３１０ｂの各々によって出力された一部又はすべてのもつれ光子が、もつれ検出器３７２及び／又は経路スプリッター３７５によって受信されるように構成されている。例えば、第１のもつれ光子対が、第１の量子中継器システム３１０ａによって出力され、第２のもつれ光子対が、第２の量子中継器システム３１０ｂによって出力され、これ等２つのもつれ光子対が、ビームスプリッター３７３において互いにもつれ合うと、波動関数
【０１０７】
【数８】
2019523961.tif 000010
【０１０８】
によって数学的に記述される少なくとも３つの結果のうちの１つが生じる可能性がある。第１の結果において、もつれ検出器３７２及び経路スプリッター３７５の両方が、前述の波動関数のケット|２，２＞で数学的に記述される４つのもつれ光子のうちの２つを受信する。第２の結果において、もつれ検出器３７２が、前述の波動関数のケット|４，０＞又は|４，０＞の一方によって記述される４つのもつれ光子を受信する。第３の結果において、経路スプリッター３７５が、前述の波動関数のケット|４，０＞又は|４，０＞の一方によって記述される４つのもつれ光子を受信する。一部の実施形態において、経路スプリッター３７５が４つのもつれ光子を受信する確率は約３／８である。更に、更なるもつれ光子対（例えば、Ｎ個のもつれ光子）が、中継器結合もつれ光学系３７０によってもつれることができるように、更にパラメトリックダウンコンバージョン発生器を備えた実施形態が考えられる。Ｎ個のもつれ光子を含む実施形態において、Ｎ個のもつれ光子が、もつれ検出器３７２、経路スプリッター３７５、又は両方の組み合わせによって受信される確率は、一般化されたケット
【０１０９】
【数９】
2019523961.tif 000011
【０１１０】
によって数学的に記述される。
【０１１１】
更に、一部の実施形態において、第１、第２のもつれ経路３７１ａ、３７１ｂ両方の少なくとも一部は、マルチコア光ファイバーを含むことができる。例えば、ビームスプリッター３７３と経路スプリッター３７５との間に延びる第１のもつれ経路３７１ａの一部、及びビームスプリッター３７３と経路スプリッター３７５との間に延びる第２のもつれ経路３７１ｂの一部は、各々マルチコア光ファイバーを含むことができる。一部の実施形態において、第１、第２のもつれ経路３７１ａ、３７１２ｂ両方の少なくとも一部は、１つ以上の光導波路を含むことができる。
【０１１２】
一部の実施形態において、経路スプリッター３７５は、経路スプリッター３７５に光学的に結合された光ファイバーリンク３６０に、もつれ光子対を誘導するように構造的に構成されている。例えば、経路スプリッター３７５が、４つのもつれ光子を受信すると、経路スプリッター３７５は、４つのもつれ光子のうちの２つを１つの光ファイバーリンク３６０に誘導すると共に、経路スプリッター３７５は、４つのもつれ光子のうちの２つを別の光ファイバーリンク３６０に誘導することができる。光ファイバーリンク３６０は、例えば、単一コア又はマルチコアを有するガラス光ファイバー等、任意の光ファイバーを含むことができる。更に、実施形態において、もつれ光子発生器３０１が４つを超えるもつれ光子を発生するように構成されている場合、経路スプリッター３７５は、もつれ光子の第１のサブセット（約半分）を１つの光ファイバーリンク３６０（例えば、第１の光ファイバーリンク）に誘導することができると共に、経路スプリッター３７５は、もつれ光子の第２のサブセット（約半分）を別の光ファイバーリンク３６０（例えば、第２の光ファイバーリンク）に誘導することもできる。一部の実施形態において、経路スプリッター３７５は、溶融バイコニカルテーパースプリッター、平面光波回路スプリッター等を含むことができる。
【０１１３】
一部の実施形態において、もつれ検出器３７２は、もつれ検出器３７２が受信した光子の数を測定するように構造的に構成され、経路スプリッター３７５が受信した光子の数に関する情報も提供する。例えば、第１、第２の量子中継器システム３１０ａ、３１０ｂの各々によって２つのもつれ光子が出力され、もつれ検出器３７２が受信したもつれ光子がゼロの場合には、４つのもつれ光子はすべて経路スプリーター３７５が受信したことになる。一部の実施形態において、もつれ検出器３７２は、多光子検出器を含むことができる。別の実施形態において、もつれ検出器３７２は、例えば、超電導ナノワイヤ単一光子検出器、低ノイズフォトダイオード等、単一光子検出器を含むことができる。
【０１１４】
本明細書において、特定の特性を具体化する、又は特定の方法で機能させるために、本開示の構成要素が「構成されている」という記述は、意図した用途の記述ではなく、構造的な記述であることに留意されたい。より具体的には、本明細書において、構成要素が「構成されている」方法の言及は、その構成要素の既存の物理的状態を示し、従って、その構成要素の構造的特徴の明確な記述であると見なされるべきである。
【０１１５】
本明細書において、本発明を説明及び定義するための「約」という用語は、定量的比較、値、測定、又は他の表現に起因する可能性がある、固有の不確実性の程度を示すために使用されていることに留意されたい。また、本明細書において、「約」という用語は、問題となる主題の基本的な機能変化させずに、定量的な表現が記述した基準から変化し得る程度を示すためにも使用されている。
【０１１６】
特定の実施形態を参照して、本開示の主題を詳細に説明したが、本明細書に開示の様々な詳細は、特定の要素が本明細書に添付の各々の図面に示されている場合であっても、本明細書に開示の様々な詳細は、これらの詳細が本明細書に記載の様々な実施形態の必須構成要素である要素に関連することを暗示するものではないことに留意されたい。更に、添付の特許請求の範囲に規定する実施形態を含み、これに限定されない、本開示の範囲を逸脱せずに、改良及び変形が可能であることは明らかであろう。より具体的には、本明細書において、本開示の一部の態様が、好ましい又は特に有益であるとしているが、本開示は必ずしもこれらの態様に限定されるものではないことを企図している。
【０１１７】
以下の請求項の１つ以上が、移行句として「ｗｈｅｒｅｉｎ」という用語を使用していることに留意されたい。本用語は、本発明を定義するために、開放型移行句として請求項に用い、構造の一連の特徴を列挙するものであって、より一般的に使用される前文用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える、有する、含む）」と同様に解釈されるべきであることに留意されたい。
【０１１８】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【０１１９】
実施形態１
ドープ多結晶セラミック光学素子、磁場発生ユニット、及び１つ以上のポンプレーザーを備えた量子メモリシステムであって、
前記磁場発生ユニットが磁場を発生するとき、前記ドープ多結晶セラミック光学素子が、前記磁場発生ユニットの前記磁場内に配置され、
前記１つ以上のポンプレーザーが、前記ドープ多結晶セラミック光学素子に光学的に結合され、
前記ドープ多結晶セラミック光学素子が、該素子の結晶格子内に均一に分散された希土類元素ドーパントでドープされている、
システム。
【０１２０】
実施形態２
前記１つ以上のポンプレーザーが、前記ドープ多結晶セラミック光学素子を照射して、該素子の前記希土類元素ドーパント内に、成形スペクトル構造を生成するように構成されている、実施形態１記載の量子メモリシステム。
【０１２１】
実施形態３
前記希土類元素ドーパントが、（ｉ）前記ドープ多結晶セラミック光学素子を横断する保存光子であって、該保存光子によって、前記希土類元素ドーパントの前記成形スペクトル構造の重ね合わせが、第１の分割基底状態から励起エネルギー状態に転移し、（ｉｉ）前記１つ以上のポンプレーザーによって出力された第１のポンプパルスであって、前記希土類元素ドーパントの前記成形スペクトル構造の前記重ね合わせを、前記励起エネルギー状態から、第２の分割基底状態に転移させるポンプパルスを受信すると、前記保存光子を吸収するように構成され、
前記希土類元素ドーパントが、（ｉ）該ドーパントの前記成形スペクトル構造の前記重ね合わせが、前記１つ以上のポンプレーザーによって出力された第２のポンプパルスを受信して、前記第２の分割基底状態から前記励起エネルギー状態に転移し、（ｉｉ）前記保存光子が、前記ドープ多結晶セラミック光学素子から出射するように、前記希土類元素ドーパントの前記成形スペクトル構造の前記重ね合わせが、ある遅延期間後に、前記保存光子を自動的に放出すると、該保存光子を放出するように構成された、
実施形態２記載の量子メモリシステム。
【０１２２】
実施形態４
前記ドープ多結晶セラミック光学素子が、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、又はこれ等の組み合わせを含む、実施形態１〜３いずれか１つに記載の量子メモリシステム。
【０１２３】
実施形態５
前記ドープ多結晶セラミック光学素子が空隙を含まない、実施形態１〜４いずれか１つに記載の量子メモリシステム。
【０１２４】
実施形態６
前記ドープ多結晶セラミック光学素子が、多結晶セラミックコア及び該コアを囲むクラッドを有するドープ多結晶セラミック光導波路を含み、
前記クラッドが、前記多結晶セラミックコアの屈折率より低い屈折率を有し、
前記ドープ多結晶セラミック光導波路の前記多結晶セラミックコアが、該コアの結晶格子内に均一に分散された希土類元素ドーパントでドープされている、
実施形態１〜５いずれか１つに記載の量子メモリシステム。
【０１２５】
実施形態７
前記希土類元素ドーパントが、エルビウム、ツリウム、プラセオジム、又はこれ等の組み合わせを含む、実施形態１〜６いずれか１つに記載の量子メモリシステム。
【０１２６】
実施形態８
前記希土類元素ドーパントが、前記ドープ多結晶セラミック光学素子の全分子量の約０．０５％〜約０．１５％を占める、実施形態１〜７いずれか１つに記載の量子メモリシステム。
【０１２７】
実施形態９
前記１つ以上のポンプレーザーが、前記ドープ多結晶セラミック光学素子の第１の端部に光学的に結合された、第１のポンプレーザー、及び前記ドープ多結晶セラミック光学素子の第２の端部に光学的に結合された、第２のポンプレーザーを含む、実施形態１〜８いずれか１つに記載の量子メモリシステム。
【０１２８】
実施形態１０
前記ドープ多結晶セラミック光学素子の第１の端部に光学的に結合された、光サーキュレーターを更に備え、
前記光サーキュレーターが、第１の光ポート、第２の光ポート、及び第３の光ポートを有し、
前記光サーキュレーターが、保存光子発生器と前記ドープ多結晶セラミック光学素子の前記第１の端部との間に、前記サーキュレーターの前記第１の光ポートが、前記保存光子発生器に光学的に結合され、前記第２の光ポートが、前記ドープ多結晶セラミック光学素子の前記第１の端部に光学的に結合されるように配置され、
前記光サーキュレーターが、前記１つ以上のポンプレーザーの少なくとも１つと前記ドープ多結晶セラミック光学素子の前記第１の端部との間に、前記サーキュレーターの前記第１の光ポートが、前記１つ以上のポンプレーザーの少なくとも１つに光学的に結合され、前記第２の光ポートが、前記ドープ多結晶セラミック光学素子の前記第１の端部に光学的に結合されるように配置され、
前記光サーキュレーターの前記第３の光ポートが、波長分割多重装置に光学的に結合された、
実施形態１〜９いずれか１つに記載の量子メモリシステム。
【０１２９】
実施形態１１
前記１つ以上のポンプレーザーが、第１のポンプ光子波長を有する第１のポンプ光子、及び第２のポンプ光子波長を有する第２のポンプ光子を発生するように構造的に構成され、
前記第１のポンプ光子波長、及び前記第２のポンプ光子波長が、各々、前記希土類元素ドーパントでドープされた、前記ドープ多結晶セラミック光学素子の吸収ピークの約２０ｎｍ以内である、
実施形態１〜１０いずれか１つに記載の量子メモリシステム。
【０１３０】
実施形態１２
前記ドープ多結晶セラミック光学素子に光学的に結合された、保存光子発生器を更に備え、
前記保存光子発生器が、第２のもつれ保存光子ともつれた、第１のもつれ保存光子を含む、もつれ保存光子対を発生するように構造的に構成された、
実施形態１〜１１いずれか１つに記載の量子メモリシステム。
【０１３１】
実施形態１３
前記ドープ多結晶セラミック光学素子に熱結合された冷却システムを更に備え、
前記冷却システムが、冷却チャンバーを有し、前記ドープ多結晶セラミック光学素子が、前記冷却チャンバー内に配置され、
前記冷却システムが、レーザー冷却システムを含み、前記ドープ多結晶セラミック光学素子が、前記レーザー冷却システムに光学的に結合された、
実施形態１〜１２いずれか１つに記載の量子メモリシステム。
【０１３２】
実施形態１４
前記ドープ多結晶セラミック光学素子にドープされた前記希土類元素ドーパントが、約５００ｎｓ〜約１ｍｓの光子保存寿命の間、保存光子を保存するように構成された、実施形態１〜１３いずれか１つに記載の量子メモリシステム。
【０１３３】
実施形態１５
前記ドープ多結晶セラミック光学素子にドープされた前記希土類元素ドーパントが、前記ドープ多結晶セラミック光学素子を横断する保存光子の約５０％以上を吸収するように構成された、実施形態１〜１４いずれか１つに記載の量子メモリシステム。
【０１３４】
実施形態１６
量子中継器システム、１つ以上の磁場発生ユニット、及び１つ以上のポンプレーザーを備えた光学システムであって、
前記量子中継器システムが、２つのドープ多結晶セラミック光学素子、及び中継器もつれ光学系を有し、
前記量子中継器システムの各々のドープ多結晶セラミック光学素子が、前記１つ以上の磁場発生ユニットが磁場を発生するとき、前記１つ以上の磁場発生ユニットの前記磁場内に配置され、
前記量子中継器システムの各々のドープ多結晶セラミック光学素子が、該素子の結晶格子内に均一に分散された希土類元素ドーパントでドープされ、
前記１つ以上のポンプレーザーの少なくとも１つが、前記量子中継器システムの各々のドープ多結晶セラミック光学素子に光学的に結合され、
前記中継器もつれ光学系が、各々のドープ多結晶セラミック光学素子に光学的に結合された２つのもつれ経路、及び各々のもつれ経路が横断するように配置されたビームスプリッターを有する、
光学システム。
【０１３５】
実施形態１７
前記中継器もつれ光学系が、前記２つのもつれ経路に光学的に結合された、２つのもつれ検出器を更に有する、実施形態１６記載の光学システム。
【０１３６】
実施形態１８
前記量子中継器システムが、第１の量子中継器システムであり、前記光学システムが、第２の量子中継器システム、中継器結合もつれ光学系、経路スプリッター、及びもつれ検出器を更に備え、
前記第２の量子中継器システムが、２つのドープ多結晶セラミック光学素子、及び中継器もつれ光学系を有し、
前記第２の量子中継器システムの各々のドープ多結晶セラミック光学素子が、前記１つ以上の磁場発生ユニットが磁場を発生するとき、前記１つ以上の磁場発生ユニットの前記磁場内に配置され、
前記第２の量子中継器システムの各々のドープ多結晶セラミック光学素子が、該素子の結晶格子内に均一に分散された希土類元素ドーパントでドープされ、
前記中継器結合もつれ光学系が、前記第１の量子中継器システム及び前記もつれ検出器に光学的に結合され、該システムと該検出器との間に延びる第１のもつれ経路、及び前記第２の量子中継器システム及び前記経路スプリッターに光学的に結合され、該システムと該スプリッターとの間に延びる第２のもつれ経路を有する、
実施形態１６又は１７記載の光学システム。
【０１３７】
実施形態１９
前記中継器結合もつれ光学系が、各々のもつれ経路が横断するように配置されたビームスプリッターを更に有し、
前記中継器結合もつれ光学系が、前記第１及び第２の量子中継器システムによって出力された各々のもつれ光子対が前記ビームスプリッターを同時に横断すると、前記第１及び第２の量子中継器システムによって出力された各々のもつれ光子対をもつれさせるように構造的に構成され、前記経路スプリッターが、２つのもつれ光子を第１の光ファイバーリンクに誘導し、２つのもつれ光子を第２の光ファイバーリンクに誘導するように構造的に構成された、
実施形態１８記載の光学システム。
【０１３８】
実施形態２０
ドープ多結晶セラミック光学素子を製造する方法であって、
複数の遷移金属錯体と複数の希土類金属錯体とを混合して、金属塩溶液を形成するステップと、
前記金属塩溶液を加熱して、加熱金属塩溶液を形成するステップと、
前記加熱金属塩溶液と有機前駆体とを混合して、前記加熱金属塩溶液と前記有機前駆体との間に化学反応を誘発し、複数の希土類ドープナノ粒子を生成するステップと、
前記複数の希土類ドープナノ粒子を焼結して、ドープ多結晶セラミック光学素子であって、該素子の結晶格子内に均一に分散された希土類元素ドーパントを有する素子を形成するステップと、
を備えた方法。
【０１３９】
実施形態２１
前記複数の希土類ドープナノ粒子は、各々約２００ｎｍ以下の直径を有する、実施形態２０記載の方法。
【０１４０】
実施形態２２
前記複数の希土類ドープナノ粒子は、各々約４０ｎｍ以下の直径を有する、実施形態２０又は２１記載の方法。
【０１４１】
実施形態２３
前記加熱金属塩溶液が、前記有機前駆体と混合されるとき、該前駆体の温度が、前記加熱金属塩溶液の温度より低い、実施形態２０〜２２いずれか１つに記載の方法。
【０１４２】
実施形態２４
前記複数の希土類ドープナノ粒子が、約１３００℃以上の焼結温度で、ある焼結期間、焼結され、前記ドープ多結晶セラミック光学素子が形成される、実施形態２０〜２３いずれか１つに記載の方法。
【０１４３】
実施形態２５
前記複数の遷移金属錯体が、ジルコニウムを有する金属塩、イットリウムを有する金属塩、又はこれ等の組み合わせを含み、
前記有機前駆体が、尿素、水酸化アンモニウム、又はこれ等の組み合わせを含む、
実施形態２０〜２４いずれか１つに記載の方法。
【符号の説明】
【０１４４】
１００  量子メモリシステム
１２０、２２０ａ、２２０ｂ  ドープ多結晶セラミック光学素子
１２１  ドープ多結晶セラミック光導波路
１２２  結晶格子
１２５  多結晶セラミックコア
１２６、２２６ａ、２２６ｂ  第１の端部
１２８、２２８ａ、２２８ｂ  第２の端部
１２７  クラッド
１３０  希土類元素ドーパント
１４０、２４０  磁場発生ユニット
１４２、２４２  アラインメント機構
１５０、２５０ａ、２５０ｂ  光サーキュレーター
１６０、２６０ａ、２６０ｂ  ＷＤＭ保存光子レシーバー
１６６  保存光子レシーバー
１６８、２６８ａ、２６８ｂ  ポンプパルス受信器
１７０、２７０ａ、２７０ｂ  保存光子発生器
１８０、２８０ａ〜ｄ  ポンプレーザー
２００  光学システム
２０１、３１０ａ、３０１ｂ  量子中継器システム
２１０、３７０  中継器もつれ光学系
２１２ａ、２１２ｂ、３７１ａ、３７１ｂ  もつれ経路
２１６、３７３  ビームスプリッター
３６０  光ファイバーリンク
３７２  もつれ検出器
３７５  経路スプリッター
【図１】
2019523961.tif 000012
【図２】
2019523961.tif 000013
【図３Ａ】
2019523961.tif 000014
【図３Ｂ】
2019523961.tif 000015
【図３Ｃ】
2019523961.tif 000016
【図３Ｄ】
2019523961.tif 000017
【図３Ｅ】
2019523961.tif 000018
【図４】
2019523961.tif 000019
【図５】
2019523961.tif 000020
【国際調査報告】
2019523961.tif 000021
2019523961.tif 000022
2019523961.tif 000023
2019523961.tif 000024
2019523961.tif 000025